专利名称：用于信息检测的级联双稳系统的制作方法
技术领域：
本发明属于检测技术与信号处理，具体涉及一种利用级联双稳系统和变尺度随机共振技术的信号检测方法。
背景技术：
基于双稳系统(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决定。)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，已普遍应用于物理、化学、生物、天体、生命等学科中。近年来，利用一个双稳系统进行这方面的研究已有很多报道(见参考文献)，主要用于周期信号的检测识别。然而，利用两个或更多个双稳系统的级联(或串联)来研究随机共振及其信息检测和信号分析的技术尚未见到，特别是对于非周期信号，单个双稳系统的检测技术还远不成熟，而利用多级双稳系统的检测技术则更是无人问津。究其原因在于，由于双稳系统的噪声响应频谱具有罗伦兹的分布形式，即频谱能量向低频区域集中，因此频谱的高频幅值逐渐减弱，而低频幅值却被放大，这意味着双稳系统输出波形的高频抖动有所消除，而波形的低频基本轮廓却被突出。通常，被突出的基本波形轮廓中常常包含一些有用的特征信息，而这些特征信息往往因为单个双稳系统的信号检测能力限制，很难被检测提取出来。利用多级双稳系统来提高和扩充单个双稳系统的信号检测能力是一条有效的途径。然而，多级双稳系统的简单串联，虽使系统最终输出频谱的高频幅值进一步降低，低频幅值进一步增大，即能量进一步向低频区域集中，但同时更重要的是，能量集中的低频区域会随着双稳系统数量的增加而不断缩小。当双稳系统数量增加到一定数目时，缩小的能量集中低频区域会把有用的特征信号排斥到高频区域而进行了压缩，结果导致信号波形的失真。因此，如何利用级联双稳系统不失真地检测出特征信号是攻破此项技术的难点所在。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是将级联双稳系统和变尺度随机共振技术相结合，为弱信号特别是非周期信号的检测提供了一种有效的解决方法，为精细信息分析和信号处理提供一种新的信息检测技术。
本发明的技术方案为用于信息检测的级联双稳系统主要由，传感器1、A/D转换卡2、双稳电路3、D/A转换卡4组成。关键在于由变尺度调节器5、D/A转换卡4、双稳电路3、A/D转换卡2、以及信号恢复器6依次串接构成一个多级变尺度随机共振系统。被检测的原始信号经传感器1及第一个A/D转换卡2-1输入至第一级变尺度随机共振系统，实现特征信号的第一次提取并输入至第二级变尺度随机共振系统，依此类推完成特征信号的复原检测。每一级变尺度随机共振系统(图1中的虚框部分)的前端均串接一个变尺度调节器5，以调节双稳系统形成变尺度的随机共振，最后端串接一个信号恢复器6，以恢复双稳系统共振输出信号的实际波形。变尺度随机共振系统的个数由最终检测到特征信号来决定。变尺度调节器5中对A/D转换卡2-1输入的数据进行插值延迟，进行变尺度参数调节运算，并经变尺度随机共振系统中的D/A转换卡4来调节该级的双稳电路3而产生随机共振。共振的信号经A/D转换卡2-2输出给信号恢复器6，并在信号恢复器6中对A/D转换卡2-2输出的信号进行延迟恢复。如果复原的信号中仍含有大量的噪声而不清晰，则在第一级变尺度随机共振系统的信号恢复器6之后串接第二级变尺度随机共振系统，进行第二级的信号共振和提取复原(注变尺度随机共振系统中各部件的图号依据其所在系统的级数而确定，如在第二级变尺度随机共振系统中D/A转换卡为4-2。这样依次类推，直至将淹没在强噪声干扰中的弱特征信号充分提取显示出来。在电路接法上(如图2)A/D转换卡2-1的1通道接至传感器1，其余2、3、4～n通道分别依次接双稳电路3-1、双稳电路3-2、…双稳电路3-(n-1)的输出端。A/D转换卡2-1的输出同时接入变尺度调节器5和信号恢复器6的输入口，变尺度调节器5的输出接D/A转换卡4的输入，D/A转换卡4的输出通道1、2、3～至n-1分别依次接双稳电路3-1、3-2～3-(n-l)的输入端。双稳系统可由运算放大器所组成的模拟电路来实现(如图3所示)，其中s(t)是双稳系统的输入，x(t)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。变尺度调节器5和信号恢复器6是根据流程图4编程并固化在只读存储器中的运算器，变尺度调节器完成采样点之间的插值运算，实现对双稳系统的变尺度随机共振调节；信号恢复器的作用与变尺度调节器的相反，它删除采样点间的所有插入值而保留原采样点数据位置。
本发明的特点和有益的效果在于，这种检测系统不仅突破了单个双稳系统信号检测的局限性，而且克服了单纯级联双稳系统导致信号压缩而失真的问题，充分发挥了级联双稳系统的信号检测能力。它既可以用来检测非周期信号，又可以用来检测周期信号。由于此项技术从时域内解决了强噪声中弱信号的检测问题，因此可实现信息识别、信号放大、趋势预测等项功能，为后续更方便和更精细的信息分析和信号处理提供了必要的技术保障。
附图1为级联双稳系统信息检测过程原理图。
附图2为级联双稳系统信息检测通道结构图。
附图3为双稳系统模拟电路图。
附图4为级联双稳系统信息检测流程图。
附图5非周期方波曲线图。
附图6非周期方波叠加噪声的曲线图。
附图7第一级共振系统最佳随机共振状态曲线图。
附图8第二级共振系统最佳随机共振状态曲线图。
具体实施例方式
以下通过实施例对本发明内容做进一步的解释。传感器1实测信号中的特征信号被噪声完全淹没而不可分辨，此实测信号作为原始采样数据先输入A/D转换卡2-1的1通道，然后经过转换后送入变尺度调节器5。在变尺度调节器内对所有相邻采样点进行插值，插入的点数为N，N从1开始递增，这里采用线性等分插值算法，即插入点数据为两采样点数据的等分值。比如，假设相邻两个采样点的数值分别为xi＝1和xi+1＝7，其间要插入N＝3个点，则被插入的三个点数据值依次为xi+(xi+1-xi)/(N+1)＝2.5，xi+2*(xi+1-xi)/(N+1)＝4，xi+3*(xi+1-xi)/(N+1)＝5.5。插值调节一次，插值后的采样数据便经过D/A转换卡4-1的1通道输入给双稳电路3-1，共振信号返回输入到A/D转换卡2-2的2通道进行A/D转换，并输入给信号恢复器6。在信号恢复器内，删除N个插入点位置的数据，恢复原采样点共振数据，并显示判断。如果共振数据波形未达到最佳随机共振状态，那么插入的点数N加1并重复上述过程。当第一级随机共振系统在某一个插入点数N值的循环后达到最佳随机共振状态(即点数N的增加或减少都使随机共振效果变差)，则第一级随机共振系统完成信号的第一轮共振循环检测。倘若此时检测出的信号仍被噪声干扰不可分辨，那么以第一轮检测出的信号为原始采样数据，插值点数N＝1开始，进行第二级随机共振系统(第二轮)的变尺度随机共振循环检测，即上一级检测出的信号进行N点插值，之后通过D/A转换卡4-2的2通道输入给双稳电路3-2进行随机共振，共振信号返回输入到A/D转换卡2-3的3通道进行A/D转换，并输入给信号恢复器进行数据恢复和判断。如果第二级双稳系统的变尺度随机共振循环检测仍然不能有效检测出信号，则可依次继续进行第三轮的变尺度随机共振循环检测。
下面是一个具体实例。
假设传感器实测到的信号是由一个非周期方波曲线图5和噪声组成，且方波信号被噪声完全淹没而不可分辨，如曲线图6。方波的幅值为1，噪声的强度为5，经A/D转换卡2-1的1通道的采集长度为4000点。当插入点数N＝49时，第一级随机共振系统达到最佳随机共振状态，如曲线图7；当插入点数N＝16时，第二级随机共振系统达到最佳随机共振状态，如曲线图8，以后各级随机共振系统的最佳随机共振状态均与第二级的曲线图8相差不大。可以看出，通过两级双稳系统，淹没在噪声中的非周期方波信号被清晰地放大提取出来。
双稳电路图3参数为R＝10KΩ，R1＝R2＝110KΩ，C＝150pf，乘法器A、B系数的乘积取为0.0031。对于每一次插值调节，信号在双稳系统中的随机共振状态由分压器K1进行调节产生，K2固定在一个适当位置不变。
参考文献[1]P.Jung，P.Hnggi，Amplification of small signal via stochastic resonance.1991，Phys.Rev.A，44(12)8032. V.Galdi，V.Pierro and IM Pinto.Evaluation of stochastic-resonance-based detectors of weak harmonicsigials in additive white Gaussian noise.1998，Phys.Rev.E，57(6)6470-6478. 卢志恒，林建恒，胡岗.随机共振问题Fokker-Planck方程的数值研究.1993，物理学报，42(12)1556-1565. 冷永刚，王太勇等。“二次采样随机共振频谱研究与应用初探”。物理学报，2004，53(3)717-723。
冷永刚，王太勇等。“变尺度随机共振用于电机故障的监测诊断”。中国电机工程学报，2003，23(11)111-115。
权利要求
1.用于信息检测的级联双稳系统，主要由传感器(1)、A/D转换卡(2)、双稳电路(3)、D/A转换卡(4)组成，其特征在于由变尺度调节器(5)、D/A转换卡(4)、双稳电路(3)、A/D转换卡(2)以及信号恢复器(6)依次串接构成一个多级变尺度随机共振系统，原始信号经传感器(1)及A/D转换卡(2-1)输入至第一级变尺度随机共振系统，实现特征信号的第一次提取并输入至第二级变尺度随机共振系统，依此类推完成特征信号的复原检测。
2.按照权利要求1所述的用于信息检测的级联双稳系统，其特征在于在所述的变尺度调节器(5)中对A/D转换卡(2-1)输入的数据进行插值延迟，进行变尺度参数调节运算，双稳电路(3)产生随机共振。
3.按照权利要求1所述的用于信息检测的级联双稳系统，其特征在于在所述的信号恢复器(6)中对A/D转换卡(2-2)输出的信号进行延迟恢复。
4.按照权利要求1至3所述的用于信息检测的级联双稳系统，其特征在于A/D转换卡(2-1)的1通道接至传感器(1)，其余2、3、4～n通道分别依次接双稳电路(3-1)、双稳电路(3-2)、…双稳电路(3-(n-1))的输出端，A/D转换卡(2-1)的输出同时接入变尺度调节器(5)和信号恢复器(6)的输入口，变尺度调节器(5)的输出接D/A转换卡(4)的输入，D/A转换卡(4)的输出通道1、2、3～至n-1分别依次接双稳电路(3-1)、(3-2)～(3-(n-1))的输入端。
全文摘要
用于信息检测的级联双稳系统，涉及到级联双稳系统和变尺度随机共振技术。由传感器、A/D转换卡、双稳电路、D/A转换卡等部件加之变尺度调节器和信号恢复器依次串接构成一个多级变尺度随机共振系统。信号经传感器及A/D转换卡输入至第一级变尺度随机共振系统，实现特征信号的第一次提取并输入至第二级变尺度随机共振系统，依此类推完成特征信号的检测。变尺度调节器对A/D转换卡的数据插值延迟、变尺度调节运算，使双稳电路产生随机共振。信号恢复器对A/D转换卡的信号做延迟恢复。本发明的优点，从时域内解决了强噪声中弱信号的检测问题，可实现信息识别、信号放大、趋势预测等功能，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。
文档编号G01R23/16GK1595179SQ20041001993
公开日2005年3月16日 申请日期2004年7月9日 优先权日2004年7月9日
发明者冷永刚, 王太勇, 郭焱 申请人:天津大学
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