[发明专利]基于随机共振的微弱特征信息恢复系统

说明书

技术领域

本发明属于检测技术与信号处理，具体涉及一种利用随机共振技术在强噪声背景下对多周期任意波形进行恢复的方法。

技术背景

传统的低通滤波器在对一定噪声强度下的信号滤波后会使信号出现较大程度的失真(如图1～5所示)，图1是原始标准正弦波，其幅值为0.2V，频率为100Hz；图2是有效值为0.35V的白噪声；图3是图2强噪声叠加图1正弦波后的混合信号波形图；图4为该混合信号经过500Hz低通滤波器后的信号图；图5为该混合信号经过1500Hz低通滤波器后的信号图。由图1～5可看出，在一定噪声强度下的信号滤波后会出现较大的失真，这将给较弱信号的提取带来极大的困难，所以目前在工程上需要研究一种能够进行信号恢复的方法与装置。

随机共振概念是1981年Benzi等人研究古气象冰川问题时提出的，从那之后，随机共振以其在信号处理的增强放大、检测识别、传输还原等方面所特有的优势，正在越来越多的应用于多学科之中。近年来，随机共振技术在机械、电子、信息等工程领域也引起广泛的关注，并开始广泛应用于故障诊断、图象处理、目标跟踪等工程方面，在信号处理领域，随机共振主要用来研究微弱信息的检测、放大、传输、恢复等特性。对于随机共振来说，其信号共振过程可以看作是在驱动力为单频正弦信号s(t)＝Asin(2πf₀t)和白噪声n(t)的作用下，一个粒子在方程U(x)＝-1/2ax²+1/4bx⁴的双稳势阱内进行震荡运动；而其信号恢复的过程可以看作是经过双稳方程U(x)后的粒子在由h(x)＝U′(x)＝-ax+bx³决定的系统中运动的结果。两个过程系统分别称为“双稳系统U(x)”和“恢复系统h(x)”。从整体上看，共振和恢复过程实质上是粒子顺次经过“双稳系统U(x)”和“恢复系统h(x)”的运动结果。

因此，如何准确应用随机共振的共振和恢复原理从而不失真地恢复检测出混杂在一定噪声中的原始信号，以得到真实的微弱信号，并能将此信号进行后续分析应用是攻破此项技术的难点所在，同时此方法也对在强噪声背景下的信号检测分析具有极强的实用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于随机共振的微弱特征信息恢复系统，为精细信息分析和信号处理提供一种新的信息检测技术。

以下结合附图对本发明的技术方案予以说明。基于随机共振的微弱特征信息恢复系统包括传感器、双稳模拟电路、恢复模拟电路和滤波模块等。被检测的含噪原始弱信号经传感器输入至双稳模拟电路，实现信号的随机共振提取，恢复模拟电路及其后续的滤波模块完成对信号的恢复和低通滤波。传感器实测信号中的原始弱信号被噪声完全淹没而不可分辨(如图11或图16或图21所示)，该实测信号作为原始采样数据送入双稳模拟电路。双稳模拟电路的作用是对含噪信号进行随机共振。双稳模拟电路输出的信号由恢复模拟电路进行信号恢复。恢复模拟电路主要由三个乘法器芯片、放大器以及直流电源组成(图8)。恢复模拟电路的作用是将已经产生随机共振现象的信号进行去噪恢复，其电路结构是：第一个乘法器的两个输入端分别与双稳模拟电路的输出端相连；第二个乘法器的一个输入端与第一个乘法器的输出端相连，另一个输入端也与双稳模拟电路的输出端相连；第三个乘法器的一个输入端仍与双稳模拟电路的输出端相连，另一个与直流电源相连。第二个乘法器与第三个乘法器的输出端同时接到反馈放大器，并由反馈放大器对第二个乘法器与第三个乘法器的输出端输出的信号进行反馈输出。此种连接方式完成如前所述“恢复系统”中h(x)的-ax+bx³连接，并对已经产生随机共振现象的信号进行恢复，随后恢复模拟电路的输出信号输入滤波模块进行低通滤波，最终得出混杂在噪声中的原始弱信号(如图13或图18或图23所示)。同时可以看出图13、图18和图23分别与图9、图14和图19波形基本一样，说明本发明的效果非常好。

传感器实测的信号可以是含噪的振动信号、力信号等，经双稳模拟电路进行随机共振后，信号进入双稳状态，之后信号进入恢复模拟电路，经恢复模拟电路的3个乘法器共同作用输出后，再经滤波模块低通滤波输出得到纯净的信号。

附图说明

图1是原始标准正弦波图形。

图2是有效值为0.35V的白噪声。

图3是图2强噪声叠加图1正弦波后的混合信号波形图。

图4是混合信号经过500Hz低通滤波器后的信号图。

图5是混合信号经过1500Hz低通滤波器后的信号图。

图6为本发明系统连接原理图。