[发明专利]一种基于双共振峰的涡街信号检测方法

说明书

本发明公开了一种基于双共振峰的涡街信号检测方法，其涡街信号检测方法构建了具有大小不同尺度双稳结构的多层级系统，从布朗粒子运动所遵循的带有惯性项及可变阻尼项的Langevin方程出发，修正了Kramers逃逸率与阻尼系数的关系，用周期力做功来衡量带阻尼状态下双尺度双稳系统随机共振的性能，建立了双尺度系统在周期力和随机力协同作用下输出响应的近似表达式，双尺度双稳系统的参数k，阻尼系数γ以及噪声强度D对随机共振效应的影响。该基于双共振峰的涡街信号检测方法，将实测涡街信号预处理后作为双尺度双稳系统的输入，通过频域分析从而检测出淹没在强背景噪声下的涡街流量信号。

技术领域

本发明涉及涡街信号检测技术领域，具体为一种基于双共振峰的涡街信号检测方法。

背景技术

随机共振理论最初是由意大利学者BenZi等人在1981年研究地球古气象冰川问题时提出的，随机共振可以看作由噪声、微弱信号和非线性系统共同作用，使粒子在非线性系统的稳态势阱间发生周期性跃迁的物理现象。传统信号检测的方法一般是通过抑制噪声来提取有用的特征信号，但同时往往削弱了待测信号。与传统的信号检测方法相比，随机共振具有明显的优越性，它最大的特点是有效利用噪声而不是抑制噪声。

双稳态系统是最早提出的一类非线性系统，也是研究最多的系统。受到高斯白噪声与微弱周期信号作用的双稳态系统随机共振模型可以用一阶微分方程描述，即

式(1)中，x(t)为非线性系统中粒子的运动轨迹，也是经过双稳态随机共振系统后的输出信号；S(t)＝Asin(2πft)是微弱周期信号，A为周期信号的幅值，ω是周期信号的角频率；ξ(t)是均值为0，强度为D的高斯白噪声；双稳系统的势函数V(x)为

其中a、b为正实数，为非线性双稳系统的结构参数，通过调节a、b的值，可以改变双稳态势阱。双稳态系统有两个稳态点±x_m，以及一个不稳定点x_b。没有外力和噪声作用时，势垒高为ΔV＝a²/4b，两个势阱位置在处，势垒位置即不稳定点位置在x_b＝0处。

虽然双稳态系统结构简单，应用方便，但是在检测实际的涡街信号时，由于信号极其微弱，淹没在强背景噪声中，要使系统产生随机共振，需要降低双稳态系统的势垒高度ΔV，但这样会导致质点的跃迁幅度减弱，使输出信号的幅值降低，所以信号越微弱检测的效果也就越差。因此在涡街信号的检测中，需要一种能增强随机共振效应、更加有效检测出涡街信号的检测方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于双共振峰的涡街信号检测方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于双共振峰的涡街信号检测方法，其涡街信号检测方法构建了具有大小不同尺度双稳结构的多层级系统，从布朗粒子运动所遵循的带有惯性项及可变阻尼项的Langevin方程出发，修正了Kramers逃逸率与阻尼系数的关系，用周期力做功来衡量带阻尼状态下双尺度双稳系统随机共振的性能，建立了双尺度系统在周期力和随机力协同作用下输出响应的近似表达式，双尺度双稳系统的参数k，阻尼系数γ以及噪声强度D对随机共振效应的影响。

进一步的，所述涡街信号检测方法k作为双尺度双稳系统的八次势函数的尺度参数，决定了势函数的势垒高度和势阱宽度，势垒高度和势阱宽度随着k的增加而增加，并且垒高对k更加敏感，在k从0到1.17的变化范围内，势函数左右两侧的势垒高度始终小于中间势垒高度，势函数曲线表现为两个小尺度的双稳子系统分别嵌入一个大尺度的双稳系统，从而构成双尺度双稳系统。

进一步的，所述涡街信号检测方法修正了Kramers逃逸率与阻尼系数的关系，引入功来衡量共振效应的强弱，通过理论分析阻尼系数γ以及噪声强度D对随机共振效应的影响，存在噪声和阻尼诱导的双重随机能量共振现象，揭示了阻尼诱导的双重共振和共振效应增强的机理。