[发明专利]基于Duffing混沌系统的微弱信号检测装置的微弱信号检测方法

说明书

技术领域

本发明属于微弱信号检测领域。

背景技术

在信息通信的过程中，信号很容易淹没在噪声中，这就使得我们在检测这些信号的过程时变得很困难，为了很好的抵消强噪声对淹没在噪声中信号的干扰，人们一直在研究信号检测方法。微弱信号检测是一门新兴的学科，主要研究将微弱信号从强噪声背景下检测出来的原理和检测方法，在很多学科都有应用，如：物理、化学、电化学、机械、生物医学、地质勘探、水声探测、雷达、通信等各个领域。由于微弱信号检测主要是将淹没在强噪声下的微弱信号检测出来，是现代通信领域重要的研究方向。尤其是在通信过程中，收发双发都使用的是高频信号，为了防止非合作方窃取、拦截合作方信息，都会将信号隐藏在强噪声中，这就要求接收方要有很好的微弱信号检测的能力，因此微弱信号检测技术应运而生。微弱信号检测技术的关键是抑制噪声，增强有用信号，提高信噪比。微弱信号检测技术在基于线性理论和平稳噪声的基础上形成了最佳的检测原理和方法，在不同情况下，通过对信号和噪声的统计特性，参照最佳检测原理，寻找适当的检测方法。限制传统经典信号检测理论广泛应用的主要原因是在实际信号和噪声处理过程中，如在通信、雷达、声纳、故障检测等实际问题中，背景噪声非常复杂，与理论存在着很大的差距。

非线性科学正处在科学前沿，在自然界和社会现象中很多涉及到非线性问题，而用非线性模型来研究客观世界是现在科学发展的趋势，非线性理论已深入到很多门类学科中。混沌理论是非线性科学的一个重要分支，从上世纪70年初，混沌理论逐渐被科学界熟知，由于其对噪声的免疫性和对信号的敏感性，吸引了广大科研工作者的注意。从90年代起，混沌理论被用来微弱信号检测，其对噪声的免疫性，使检测方法不涉及噪声的分布特性，在各种噪声背景下都可以应用，这为混论理论的应用开辟了新的领域，同时开辟了微弱信号检测的新途径。

现在的大多数微弱信号检测的理论和方法都是在理论层次上提出，在软件上仿真验证其理论的正确性，却很少有人在硬件上验证微弱信号检测理论在现实应用中的可行性，除此之外，大多数微弱信号频率检测算法并不适合在硬件上实现。

发明内容

本发明目的是为了解决现有微弱信号检测的方法没有在硬件上验证在现实应用中的可行性，现有的微弱信号检测算法不适合在硬件上实现的问题，提供了一种基于Duffing混沌系统的微弱信号检测装置的微弱信号检测方法。

本发明所述基于Duffing混沌系统的微弱信号检测装置的微弱信号检测方法，该微弱信号检测方法基于Duffing混沌系统的微弱信号检测装置实现，该微弱信号检测装置包括信号发生器、ADC、FPGA、USB芯片和上位机，信号发生器的微弱信号输出端连接ADC的微弱信号输入端，ADC的采样信号输出端连接FPGA的采样信号输入端，FPGA的检测信号输出端通过USB芯片连接至上位机；

微弱信号检测方法的具体过程为：

步骤1、信号发生器产生微弱信号并将此微弱信号发送至ADC；步骤2、ADC采样后将数据发送至FPGA；

步骤3、FPGA将接收的数据作为Duffing方程的输入，利用波峰差值检测算法计算Duffing方程的数值解；

步骤4、FPGA根据步骤3获取的数值解判断当前状态，进而获取输入信号的频率；

步骤5、FPGA将步骤4获取的检测结果通过USB芯片发送至上位机。

本发明的优点：(1)本发明采用Duffing方程为理论基础。Duffing混沌系统具有对噪声免疫性和对初值敏感性，将系统调到混沌向周期跳变的临界状态，只要输入的弱信号的频率与周期策动力频率相同，就会使系统从周期态变为混沌态。在周期策动力频率扫频时，只有该频率与信号频率相同时系统进入周期态，其它情况都是混沌态，这样提出了一种适合硬件实现的频率点识别算法——波峰差值检测法，通过该方法在硬件上实现微弱信号的频率点识别。(2)硬件实现部分信号发生器使用Agilent公司生产的型号为E4438C的信号发生器，ADC芯片型号为AD9280，FPGA芯片选择了Xilinx公司的Virtex 2芯片，USB芯片是Cypress公司的FX2系列的CY7C68013。整个实验系统如图1所示。工作过程是信号发生器产生一微弱信号；通过ADC采样后将数据传给FPGA，作为FPGA内部Duffing方程的输入，用波峰差值检测算法计算Duffing方程的数值解，来判断系统的状态，一次扫频过后判断出输入信号的频率；将检测结果通过USB2.0传送到电脑中，给出一个明确可视的检测结果。