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专利名称：级联变尺度随机共振方波滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于检测技术与信号处理，具体涉及利用级联程控频率随机共振技术对 方波信号进行检测的装置。
背景技术：
双稳系统是指具有两个不同稳定状态的系统，系统处于哪一个稳定状态由其初始条 件来决定。双稳系统的随机共振技术起源于上世纪八十年代初，在信号处理的增强放大、 检测识别、传输还原等方面有着独特的优势，已普遍应用于多学科中。近年来随机共振 技术广泛应用于故障诊断、图象处理、目标跟踪等工程方面。
在小参数条件下通过输入信号、噪声和双稳系统三者协调作用可以产生随机共振现 象。其原因在于双稳系统改变了均匀分布的白噪声频谱结构，使得大部分噪声能量集中 于低频区域，形成罗伦兹(Lorentz)分布的响应谱特征。当输入信号的频率位于噪声 能量集中的低频区域，就会使输入信号被适量的噪声选择而产生随机共振现象。 一旦输 入信号的频率离开噪声能量集中的低频区域，那么随机共振现象会迅速弱化消失，而增 大噪声强度虽然可以扩展低频能量区域，但这种扩展不仅非常有限，而且很难重新选择 到信号使之达到随机共振。因此相对而言，随机共振对输入信号的频率更敏感一些。由 于随机共振理论研究的是小参数信号，即信号的幅度和频率以及噪声的强度都是小参 数，因此当面对大强度的噪声或大频率的信号时，特别是含有多个频率成分的大频率信 号，小参数的随机共振理论将失效而无法使用。因此，如何利用随机共振技术不失真地 检测出大频率、多成分的弱方波(以下简称方波，不是指非周期方波)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，也对在强噪声背景下的方波信号检 测分析具有很强的实用价值。
因此，如何利用随机共振技术不失真地检测出大频率、多成分的弱方波信号，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，也对在强噪声背景下的方波信 号检测分析具有很强的实用价值和指导意义。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是将级联双稳系统和程控频率随机共振技术相结 合，为弱方波信号的检测提供一种级联变尺度随机共振方波滤波器，也为精细信息分析和信号处理提供一种新的信息检测装置。
以下结合附图对本实用新型的技术结构进行说明。级联变尺度随机共振方波滤波 器，具有程控频率随机共振系统、传感器和监视器等。具体的技术方案是程控频率随
机共振系统是由n个单级程控频率随机共振系统1-1、 1-2、…、l-n依次串联相接构成， 每级程控频率随机共振系统1-1、 1-2、…、l-n，都是由相对应的n个频率变距模块2-1、 2-2、…、2-n中的一个、n个双稳模拟电路3-l、 3-2、…、3-n中的一个、n个信号判 断模块4-l、 4-2、…、4-n中的一个和n个频率复距模块5-l、 5-2、…、5-n中的一个 组成。由传感器6实测原始数据先依次输入至第一级程控频率随机共振系统1-1、第一 个频率变距模块2-1、第一个双稳电路3-l和第一个信号判断模块4-l，根据信号判断模 块4-l中的波形判断条件，或者输入至第一个频率复距模块5-l，到达监视器7终止； 或者继续输入至第二级程控频率随机共振系统1-2中的第二个频率变距模块2-2、第二 个双稳电路3-2、第二个信号判断模块4-2，…，依次类推，直至来自于实测的数据信号 经第n级程控频率随机共振系统l-n后进入第n个频率复距模块5-n输出至监视器7终 止(如图l)。其中n个频率变距模块2-l、 2-2、…、2-n，每个频率变距模块均是由参 考分频器8、相位比较器9、环路滤波器10和压控振荡器11依次串接而成；手动N分 频器12作为反馈元件设置在相位比较器9和压控振荡器11之间(如图3)。 n个频率复 距模块5-l、 5-2、…、5-n，每个频率复距模块均是由阶跃管脉冲发生器电路13、可调 谐振网络14和带通滤波器15依次串接构成(如图4)。手动N分频器12的N值大于等 于32。
具体工作过程是被检测的原始弱方波信号经传感器6输入至程控频率随机共振系 统的第一级l-l以及第一个频率变距模块2-l，实现特征信号的第一次提取。第一个频 率变距模块2-1对传感器6输入的数据进行频率变距，再经第一个双稳电路3-1产生随 机共振信号。每一级或每一个信号判断模块均存有波形判断条件，判断的的条件是"残 余噪声幅度与整体信号有效平均幅度的比小于预先设定的要求精度值"。首先由第一个 信号判断模块4-l对第一次提取的特征信号进行判断，决定是否将第一级随机共振波形 输入至第二级程控频率随机共振系统1-2。如果随机共振信号不满足信号判断模块4-1 的波形判断条件，则将第一级程控频率随机共振系统1-1的信号由信号判断模块4-l控 制接通一级与二级之间的通道后，直接串接到第二级程控频率随机共振系统1-2，进行 第二级的信号随机共振，这样依次类推，直至实现最佳随机共振状态，将淹没在强噪声 背景的弱方波信号充分提取显示出来。信号判断模块决定了程控频率随机共振系统1的最佳级数w。每一级程控频率随机共振系统(图l中的虚框部分)的前端均串接一个频 率变距模块，对传感器信号或上一级系统传来的信号进行频率变距，以使双稳模拟电路 产生随机共振。每一级程控频率随机共振系统的后端均串接一个频率复距模块，根据信 号判断模块对随机共振输出信号进行恢复，完成特征方波信号的复原检测。最佳随机共 振状态的信号可以直接被监视器7显示或被其他分析装置进行利用，以便实现最终的精 细分析和进一步的信号处理。
双稳模拟电路3-l、 3-2、…、3-n，每一个都是由运算放大器所组成的模拟电路来 实现(如图2)，其中40是双稳系统的输入，x(O是双稳系统的输出，该模拟电路包括 积分器、反向器、乘法器、电阻分压器以及电容和电阻。频率变距模块2-l、 2-2、…、 2-n和频率复距模块5-l、 5-2、…、5-n，每个也都是根据图3和4所示的原理框图所 制作的电路模块。


图1为本实用新型各部件连接的逻辑原理框图。
图2为双稳模拟电路图。
图3为频率变距模块电路框图。
图4为频率复距模块电路框图。
图5为原始周期方波曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻度为2ms;纵坐标为电 压值，其刻度为100mV。
图6为原始强噪声波形曲线图(噪声强度有效值0.67V)。图中横坐标为时间轴， 其刻度为2ms;纵坐标为电压值，其刻度为500mV
图7为原始周期方波叠加噪声的曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻度为2ms;纵 坐标为电压值，其刻度为500mV
图8为第一级程控频率随机共振系统输出随机共振波形曲线图。图中横坐标为时 间轴，其刻度为2ms;纵坐标为电压值，其刻度为5V
图9为第二级程控频率随机共振系统输出随机共振波形曲线图。图中横坐标为时 间轴，其刻度为2ms;纵坐标为电压值，其刻度为10mV
具体实施方式
以下通过实施例对本实用新型的技术原理做进一步的辆释。传感器6实测信号中的 特征方波信号被噪声完全淹没而不可分辨(如图7所示)，此实测信号作为原始采样数 据送入程控频率随机共振系统中的第一级1-1以及相应的第一个频率变距模块2-1。经频率变距模块中的手动7V分频器12根据频率增量递减原则(即第一次以1/2倍的频率 增量，以后逐级以l/2n递减，其中"为7V分频器的阶数)对压控振荡器ll的输出信号 进行分频,分频之后返回到相位比较器9输入端与参考分频器8进行比较，直到分频后 信号和参考信号相位相等，再通过环路滤波器10和压控振荡器11进行输出。因此只要 手动改变分频器12的分频系数W，就可以输出不同频率的信号，以满足后续的双稳模拟 电路3-l、 3-2、…、3-n的要求。
双稳模拟电路如图2所示，其参数为R=15KQ， R1=R2=150KQ， C=180pf，乘 法器A、 B系数的乘积取为0.001。信号在双稳系统中的随机共振状态由分压器Kl 、 K2进行调节产生。
如前所述，当经频率变距模块输出的信号，再经双稳模拟电路产生随机共振信号， 此随机共振信号输入给信号判断模块，判断是否需要继续进行下级随机共振。信号判断 模块4-1、 4-2、…、4-n每一个都是由一台带有波形判断子程序的工控PC机组成，其 主要作用为完成波形比较判断的功能。若此检测出的随机共振信号满足信号判断模块的 波形判断条件(即残余噪声幅度与整体信号有效平均幅度的比小于预先设定的要求精 度值)，那么该随机共振信号输入频率复距模块5-1或5-2或……5-n进行信号恢复，然 后再送至监视器7显示。倘若第一个双稳模拟电路3-1产生的随机共振信号不满足第一 个信号判断模块4-l的波形判断条件，那么以这一级程控频率随机共振系统输出的信号 为原始采样数据，输入至第二级程控频率随机共振系统的频率变距模块2-2进行第二轮 的随机共振。
频率复距模块的作用主要是将由双稳模拟电路产生的随机共振信号送到阶跃管脉 冲发生器电路13，该电路将每一输入周期的能量变换为一个狭窄的大幅度的脉冲，并由 此脉冲能量激发线性可调谐振网络14。该网络把脉冲再变换为输出频率为输入频率W 倍(其倍数与前分频总系数相等)的衰减振荡波形。最后，此衰减振荡波形经带通滤波 器15滤去不需要的谐波，即可在监视器7上得到相应的等幅波形。
同理，在第二级程控频率随机共振系统中进行与第一级程控频率随机共振系统相同 的操作，即由第一级系统传来的信号经频率变距模块2-2输入到双稳模拟电路3-2，经 双稳模拟电路3-2产生的随机共振信号输入给信号判断模块4-2,判断是否需要继续进 行下级随机共振。如果第二级双稳系统的程控频率随机共振检测仍然不能有效检测出方 波信号，则可依次继续进行第三级的程控频率随机共振检测；若此时达到最佳随机共振 状态，则将此信号输入频率复距模块5-2进行信号恢复，并在监视器7显示。
6实施例
传感器实测到的信号是由一个周期方波信号(如图5所示)和噪声(如图6所示) 组成，且方波信号被噪声完全淹没而不可分辨(如图7所示)。方波的幅值为0.2V，周 期为0.002s，噪声的强度为0.67V。设定波形判断条件的精度为5 %。经第一级程控频 率随机共振系统的频率变距模块2-1的参考分频器8、相位比较器9、环路滤波器IO、 手动iV分频器12 (在本实施例中分频器的阶数取24)和压控振荡器11逐级输出至双稳 随机电路3-1，同时由手动iV分频器12根据频率增量递减原则对压控振荡器的输出信号 进行分频(其分频系数为8)，使双稳随机电路3-l产生随机共振波形，此随机共振波形 经过波形判断模块4-l后仍未满足波形判断条件的精度，则进入第二级程控频率随机共 振系统。第一级程控频率随机共振系统输出的随机共振波形如曲线图8所示；经第二级 程控频率随机共振系统的频率变距模块2-2的参考分频器8、相位比较器9、环路滤波 器IO、手动iV分频器12和压控振荡器ll逐级输出至双稳随机电路3-2，同时由手动iV 分频器根据频率增量递减原则对压控振荡器的输出信号进行分频(其分频系数为2)，使 第二个双稳随机电路3-2产生随机共振波形，此随机共振波形经过波形判断模块4-2后 满足波形判断条件的精度，则信号直接进入频率复距模块5-2进行信号复距，频率复距 模块中的可调谐振网络14的输出频率是输入频率的16倍，最后复距后的信号输入到监 视器7进行显示。第二级随机共振系统满足波形判断条件精度的最佳随机共振状态如曲 线图9所示。所有信号均由Tektronix TDS2024示波器进行测试。因此，通过两级随机 共振系统，淹没在噪声中的方波信号被清晰地放大提取出来。
本实用新型的特点和有益的效果在于，这种级联变尺度随机共振方波滤波器突破了 单个双稳系统信号检测的局限性，充分发挥了级联双稳系统的信号检测能力。由于此项 技术解决了强噪声中弱方波信号的精细检测问题，因此可实现大频率、多成分的信息识 别与信号放大等功能。同时其使用方便，输出信号具有较高精度，为后续更精细的信息 分析和信号处理提供了必要的技术保障。
权利要求1. 级联变尺度随机共振方波滤波器，具有程控频率随机共振系统、传感器和监视器，其特征在于程控频率随机共振系统是由n个单级程控频率随机共振系统(1-1、1-2、…、1-n)依次串联相接构成，每级程控频率随机共振系统(1-1、1-2、…、1-n)，都是由相对应的n个频率变距模块(2-1、2-2、…、2-n)中的一个、n个双稳模拟电路(3-1、3-2、…、3-n)中的一个、n个信号判断模块(4-1、4-2、…、4-n)中的一个和n个频率复距模块(5-1、5-2、…、5-n)中的一个组成，由传感器(6)实测原始数据先依次输入至第一级程控频率随机共振系统(1-1)、第一个频率变距模块(2-1)、第一个双稳电路(3-1)和第一个信号判断模块(4-1)，根据信号判断模块(4-1)中的波形判断条件，或者输入至第一个频率复距模块(5-1)，到达监视器(7)终止；或者继续输入至第二级程控频率随机共振系统(1-2)中的第二个频率变距模块(2-2)、第二个双稳电路(3-2)、第二个信号判断模块(4-2)，…，依次类推，直至来自于实测的数据信号经第n级程控频率随机共振系统(1-n)后进入第n个频率复距模块(5-n)输出至监视器(7)终止。
2. 按照权利要求1所述的级联变尺度随机共振方波滤波器，其特征在于所述的n 个频率变距模块(2-1、 2-2、…、2-n)，每个频率变距模块均是由参考分频器(8)、相 位比较器(9)、环路滤波器(10)和压控振荡器(11)依次串接而成；手动N分频器(12) 作为反馈元件设置在相位比较器(9)和压控振荡器(11)之间。
3. 按照权利要求1所述的级联变尺度随机共振方波滤波器，其特征在于所述n个频 率复距模块(5-1、5-2、…、5-n)，每个频率复距模块均是由阶跃管脉冲发生器电路(13)、 可调谐振网络(14)和带通滤波器(15)依次串接构成。
4. 按照权利要求2所述的级联变尺度随机共振方波滤波器，其特征在于所述手动N 分频器(12)的N值大于等于32。
专利摘要本实用新型公开了一种用于信息检测的级联变尺度随机共振方波滤波器。该装置由n个单级程控频率随机共振系统依次串联相接构成，每级程控频率随机共振系统都是由相对应的频率变距模块、双稳模拟电路信号判断模块和频率复距模块组成。由传感器实测原始数据先依次输入至第一级程控频率随机共振系统、频率变距模块、双稳电路和信号判断模块。根据信号判断模块中的波形判断条件，或者输入至第一个频率复距模块，到达监视器7终止；或者继续输入至第二级程控频率随机共振系统中的频率变距模块、双稳电路、信号判断模块，…，依次类推。直至来自于实测的数据信号经第n级程控频率随机共振系统后进入第n个频率复距模块输出至监视器终止。
文档编号G01R31/00GK201266223SQ20082014187
公开日2009年7月1日 申请日期2008年9月10日 优先权日2008年9月10日
发明者冷永刚, 莹 张, 辉 邓, 焱 郭 申请人:天津大学