基于混沌振子的微弱光电信号检测技术研究

摘要

在红外物理领域，发射率是材料重要的红外辐射特性参数，它的有效测量在工农业和国防领域有着重要的意义。然而物理上的普朗克定律因数学欠定问题无法从辐射信号中分离出目标的发射率和真温。近年来发展起来的多光谱法是一种有效的解决方法，但是需要对辐射光电信号按波长进行分光，波长数越多多光谱处理结果精度越高，但每个工作波段内的辐射能量就变得非常微弱，这些信号淹没在强噪声背景下，传统的光电信号检测方法已不能满足此项技术的需要，因此必须研究强噪声背景下微弱光电信号检测技术。此外，我国目前正在研制高光谱卫星，波长需分辨到纳米级，也需要研究更高精度的微弱光电信号检测技术。
　　在这些高精度的微弱光电信号检测系统中，为了减小零点漂移对恒定微弱光电信号的影响，首先通过调制盘将光电信号调制成周期信号，从而在传感器上接收到含噪声的微弱周期信号，以进一步实现检测。
　　研究表明，混沌理论对任何零均值噪声均具有极强的“免疫力”，而对微弱的周期信号却很敏感，因此可以很好地解决目前微弱光电信号检测存在的问题。
　　首先分析了典型混沌系统的数学模型及动态特性，深入研究了微弱光电信号幅值和频率对典型混沌系统动态特性的影响，利用典型混沌系统对信号幅值和频率的敏感性及系统相变情况，确立了微弱光电信号检测系统中的最优混沌模型。
　　在最优混沌模型的基础上，进一步对最优混沌模型动态特性进行分析，提出将李亚普诺夫指数法引入到最优混沌模型中，从定量的角度计算混沌系统的阈值，并应用周期系数微分方程理论和小数据量法进行微弱光电信号幅值的检测，从而确立了微弱光电信号检测系统中最优混沌模型可检测的最低信噪比。
　　为了检测微弱光电信号的未知频率，提出了基于比例微分控制策略的R?ssler混沌系统检测微弱光电信号频率的方法，通过比例微分控制策略实现对 R?ssler混沌系统的周期控制，然后利用谱分析的方法，实现任意位置的信号频率检测。在此基础上，针对 R?ssler混沌系统阶数较高，控制过程复杂的问题，提出了基于混沌模型的自适应频率检测方法，通过对待检信号频率与Duffing系统周期策动力频率间的频差控制，实现频率检测中的混沌模型自适应选择，从而实现检测强噪声背景下微弱光电信号频率的目的。
　　最后，在基于最优混沌模型的微弱光电信号幅值和频率检测方法的基础上，建立了基于混沌振子的微弱光电信号检测实验系统，并对微弱光电信号的幅值和频率检测进行了实验研究。实验结果验证了基于混沌振子的微弱光电信号检测方法的正确性和有效性。同时，将该检测系统应用于双向反射分布函数测量系统中，实现了双向反射分布函数测量中微弱光电信号的检测。

目录

基于混沌振子的微弱光电信号检测技术研究

STUDY OF WEAK PHOTO-ELECTRIC SIGNAL DETECTION BASED ON CHAOTIC OSCILLATOR

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 研究的目的和意义

1.3 微弱信号检测的研究现状及分析

1.4 混沌理论应用于微弱信号检测中的现状及分析

1.5 微弱光电信号检测系统中噪声特性分析

1.5.1 背景杂散光噪声

1.5.2 放大器噪声

1.5.3 探测器噪声

1.6 本文研究内容

第2章 微弱光电信号检测系统最优混沌模型的确立

2.1 引言

2.2 Duffing系统模型及微弱光电信号参量对其影响

2.2.1 Duffing系统数学模型及分析

2.2.2 微弱光电信号参量对Duffing系统动态特性影响

2.3 VanderPol-Duffing系统模型及微弱光电信号参量对其影响

2.3.1 VanderPol-Duffing系统模型及分析

2.3.2 微弱光电信号参量对VanderPol-Duffing系统动态特性影响

2.4 Lorenz系统模型及微弱光电信号参量对其影响

2.4.1 Lorenz系统数学模型及分析

2.4.2 微弱光电信号参量对Lorenz系统动态特性影响

2.5 R?ssler系统模型及微弱光电信号参量对其影响

2.5.1 R?ssler系统数学模型及分析

2.5.2 微弱光电信号参量对R?ssler系统动态特性影响

2.6 混沌系统模型的优化

2.7 本章小结

第3章 最优混沌模型李亚普诺夫指数法检测信号幅值

3.1 引言

3.2 Lyapunov指数特性

3.3 Lorenz系统Lyapunov指数法用于微弱光电信号幅值检测

3.3.1 Lorenz系统的Lyapunov指数算法

3.3.2 Lorenz系统定量检测微弱光电信号幅值方法

3.4 R?ssler系统Lyapunov指数法用于微弱光电信号幅值检测

3.4.1 小数据量法计算Lyapunov指数

3.4.2 R?ssler系统的Lyapunov指数算法

3.4.3 R?ssler系统定量检测微弱光电信号幅值方法

3.5 仿真结果分析

3.6 本章小结

第4章 基于混沌模型的自适应信号频率检测

4.1 引言

4.2 Duffing混沌振子检测微弱光电信号频率

4.3 VanderPol-Duffing混沌振子检测微弱光电信号频率

4.4 R?ssler混沌系统检测微弱光电信号频率

4.4.1 R?ssler混沌系统的特性研究

4.4.2 比例微分控制策略

4.4.3 基于R?ssler混沌控制的微弱光电信号频率检测方法

4.4.4 数值仿真

4.5 频差控制的自适应频率检测方法

4.6 本章小结

第5章 基于混沌振子的微弱光电信号检测实验研究

5.1 引言

5.2 前端调理电路设计

5.3 基于USB的数据采集系统的设计

5.3.1 硬件结构设计

5.3.2 USB接口设计

5.4 系统管理软件设计

5.5 实验方案及检测结果分析

5.6 在双向反射分布函数测量中的应用

5.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历