基于耦合Duffing振子的局部放电信号检测方法研究

以双向环形耦合Duffing振子系统为对象, 研究脉冲信号激励下耦合振子间动力学行为变化特征时, 发现其与单向环形耦合Duffing振子系统类似, 在一定的参数条件下, 脉冲信号能引起其中一个振子与其他振子运动轨迹间出现短暂失同步的现象即瞬态同步突变现象. 基于这种现象, 提出了一种微弱脉冲信号检测的新方法, 用于检测强噪声背景中的局部放电脉冲信号. 实验测试表明, 利用本文方法对不同放电电极的局部放电脉冲信号进行检测时, 在低信噪比条件下可取得良好的检测效果, 进而扩展了现有的Duffing振子对非周期信号的检测范围及应用领域. 关键词： 耦合Duffing 振子 微弱信号检测 瞬态同步突变 局部放电脉冲信号     

脉冲激励下环形耦合Duffing振子间的瞬态同步突变现象

研究非周期信号激励下Duffing振子动力学行为变化特征时,发现处于倍周期分岔的环形耦合Duffing振子系统,在一定的参数条件下,脉冲信号能引起其中一个振子与其他振子运动轨迹间出现短暂失同步的现象即瞬态同步突变现象.利用这种现象可以快速检测出强噪声背景中的微弱脉冲信号,从而扩展了现有的Duffing振子对非周期信号的检测范围及应用领域. 关键词： 瞬态同步突变 微弱信号检测 脉冲信号 Duffing振子     

基于强耦合Duffing振子的微弱脉冲信号检测与参数估计

耦合Duffing振子在检测强噪声中的微弱脉冲信号时具有可检测信噪比低等优点,但目前检测模型还存在系统性能与初始状态有关、只能工作在倍周期分岔状态等缺陷.为此本文构建了一种能克服上述缺点的新的微弱脉冲信号检测模型,通过对两个Duffing振子同时施加较大的恢复力和阻尼力耦合,可使振子间产生广义的"阱内失同步"现象,基于这种现象可实现微弱脉冲信号的检测与恢复.以信噪比改善和波形相似度为衡量指标,研究了周期策动力幅值与周期、耦合系数、计算步长、阻尼系数等参量对模型信号检测与波形恢复效果的影响.对方波、双指数脉冲和高斯导数脉冲进行检测和恢复的实验结果表明,本文所构建的模型能够在较低信噪比条件下有效地检测并恢复出高斯白噪声背景中的微弱脉冲信号,进而改善了现有的Duffing振子对非周期脉冲信号的检测能力并扩展了其应用领域.     

一种基于新型间歇混沌振子的舰船线谱检测方法

为了实现低信噪比下未知频率的舰船辐射线谱的检测,对常规型间歇混沌振子列检测方法进行了改进,提出了一种基于适应步长型间歇混沌振子的信号检测方法.该方法可以只用一个Duffing振子,通过设定一组能够覆盖待测信号所在频段的求解步长序列,实现对未知频率、具有任意初相位的微弱周期信号的搜索检测.为进一步提高系统的弱信号检测性能,分析了Holmes型Duffing方程在不同频率内置策动力下对弱信号灵敏度的差异.综合理论分析和仿真研究结果给出了Duffing振子在内置策动力角频率为0.4 rad/s时对弱信号检测性能最佳,并据此对所采用的Duffing振子进行了优化;仿真结果表明,改进后的Duffing振子的弱信号检测性能提高了12 dB.最后将此方法应用于一组含有舰船辐射线谱的实船数据,结果表明此方法可以实现低信噪比下的未知频率微弱线谱检测.     

基于Hilbert变换及间歇混沌的水声微弱信号检测方法研究

利用Duffing振 子从混沌到间歇混沌的相变及其对策动力和待检测信号频差较小的周期信号的敏感性, 研究了强海洋背景噪声下微弱周期信号的检测. 通过构造混沌振子列的方法对频率未知信号进行扫频, 从而提取待检测信号的频率范围, 最后利用希尔伯特变换, 实现对间歇混沌的包络检测, 并计算出待检测信号的频率. 计算机仿真与实测水声信号处理结果表明, 利用基于希尔伯特变换的间歇混沌振子对水声微弱信号检测, 其检测信噪比比一般的间歇混沌振子提高了至少4.4 dB, 验证了所提方法的有效性.     

基于改进强耦合振子的微弱脉冲信号检测方法

强耦合振子可用于微弱脉冲信号的检测和波形恢复,但其对微弱脉冲信号的检测频率会受到系统内置频率的限制.在系统内置频率固定的情况下,系统只能对一定频率范围内的脉冲信号进行有效检测和波形恢复,在检测更高频率的脉冲信号时会出现波形失真.本文分析了耦合振子内置频率和微弱脉冲信号检测频率之间的关系,提出两种改进强耦合振子结构以扩展微弱脉冲信号的频率检测范围.通过引入非线性恢复力耦合项,非线性恢复力强耦合振子可以有效保留信号的高频分量,在更高频率的脉冲信号输入时也能较好地保留信号特征.双振子强耦合系统通过引入Van der Pol-Duffing振子,加强了系统内部结构的稳定性,同样达到了扩展脉冲信号频率检测范围的效果.此外,基于变迭代步长和混沌检测的频率相关性,提出了一个未知频率脉冲信号检测方法,以改变迭代步长的方法代替改变系统内置频率来进行频率扫描,并且利用混沌检测的频率相关性,将接收信号和恢复信号的相关系数和纯噪声输入情况下的相关系数进行对比,根据两个相关系数之间的明显差异可以有效检测出脉冲信号.通过仿真实验进行验证,所提方法可以有效检测出未知频率的脉冲信号,并且所提的改进强耦合振子结构相对于...     

基于小波分解和Duffing振子的变尺度微弱信号检测

传统的时频分析方法在对周期性微弱信号进行检测时,提取的信息具有信噪比不高的缺点,从而影响了检测效果,为此,利用Duffing振子混沌系统对噪声的强免疫力的特征,提出了一种基于小波分解和混沌阵子的混合微弱信号检测方法;首先,采用小波变换对信号进行分解,通过小波变换的平滑作用实现对含噪微弱信号的离散处理,并设计了一种根据阈值来确定分解层数的方法,然后将降噪后的重构信号作为Duffing阵子的周期驱动力并入混沌系统,采用混沌Duffing阵子阵列实现在强噪声背景下的微弱信号检测,并提出了一种临界状态策动力幅值和初始相位的自适应确定方法;在Matlab7仿真环境下进行实验,结果表明:文中方法能有效地对湮没在强噪声下的微弱信息进行检测,具有信号检测信噪比高,重构信号频率较其它方法更接近于真实频率,具有较强的可行性。     

Duffing振子微弱信号检测盲区消除及检测统计量构造

针对Duffing振子进行同频微弱信号检测时存在的检测盲区, 提出了一种策动力移相法予以消除. 结合微弱信号特性对检测盲区表达式进行分析, 得出了策动力与待测信号的“相差”位于检测盲区时的角度范围, 通过使策动力相位产生相移量π后实现对同频信号的检测, 实验证明了方法的可行性. 为了克服定性分析的不足和有效区分振子系统信号检测过程中出现的不同状态, 构造了一个基于类Halmiton系统的检测统计量, 并设计了基于该统计量的任意频率信号检测方法步骤, 方法的核心是以检测统计量出现极大值处所在的连续两个频点作为待测信号的频率范围. 在不同检测过程的仿真实验基础上, 给出了混沌、间歇混沌和大周期的检测统计量数值范围, 进而利用该数值范围作为判据实现了对任意频率信号的检测. 实验结果表明, 该方法不仅为系统状态提供了定量的判据准则, 而且提高了信号检测性能, 进一步完善了现有利用Duffing振子进行微弱信号检测的方法.     

脉冲声信号影响锥特征的自适应选取EI北大核心CSCD

为了解决低信噪比下脉冲声信号影响锥特征的自适应选取和检测问题,提出了一种改进的整体嵌套边缘检测方法。利用脉冲信号小波域的时间-尺度分析谱图中明显的边缘效应特征,构造自适应影响锥(A-COI)模型。该模型可自适应输出最适影响锥部分,在减弱噪声干扰的同时最大程度的包含了脉冲信号的主要特征。进而将最适影响锥部分对应的小波系数用于脉冲信号检测,有效提升了低信噪比下的检测性能。对典型直升机桨-涡干扰脉冲信号的仿真和实验数据进行分析,结果表明在0 dB,2 dB,5 dB信噪比的复杂环境下,使用基于A-COI模型的检测率分别达到了65.13%,82.33%,95.27%,相对于传统固定大小影响锥的检测算法提升了42.42%,22.99%和2.36%。     

二维Duffing振子的大参数随机共振及微弱信号检测研究

研究了二维Duffing振子在绝热近似条件下的随机共振特性,针对大参数条件,提出二维Duffing振子的大参数随机共振,并探讨二维Duffing振子变尺度随机共振和参数调节随机共振的关联性,揭示大参数条件下Duffing振子随机共振检测特征信号的机理,扩展其在微弱信号检测领域中的应用.     

Blind parameter estimation of pseudo-random binary code-linear frequency modulation signal based on Duffing oscillator at low SNR

Conventional parameter estimation methods for pseudo-random binary code-linear frequency modulation(PRBCLFM) signals require prior knowledge, are computationally complex, and exhibit poor performance at low signal-to-noise ratios(SNRs). To overcome these problems, a blind parameter estimation method based on a Duffing oscillator array is proposed. A new relationship formula among the state of the Duffing oscillator, the pseudo-random sequence of the PRBC-LFM signal, and the frequency difference between the PRBC-LFM signal and the periodic driving force signal of the Duffing oscillator is derived, providing the theoretical basis for blind parameter estimation. Methods based on amplitude method, short-time Fourier transform method, and power spectrum entropy method are used to binarize the output of the Duffing oscillator array, and their performance is compared. The pseudo-random sequence is estimated using Duffing oscillator array synchronization, and the carrier frequency parameters are obtained by the relational expressions and characteristics of the difference frequency. Simulation results show that this blind estimation method overcomes limitations in prior knowledge and maintains good parameter estimation performance up to an SNR of-35 d B.     

Weak wide-band signal detection method based on small-scale periodic state of Duffing oscillator

The conventional Duffing oscillator weak signal detection method, which is based on a strong reference signal, has inherent deficiencies. To address these issues, the characteristics of the Duffing oscillator's phase trajectory in a smallscale periodic state are analyzed by introducing the theory of stopping oscillation system. Based on this approach, a novel Duffing oscillator weak wide-band signal detection method is proposed. In this novel method, the reference signal is discarded, and the to-be-detected signal is directly used as a driving force. By calculating the cosine function of a phase space angle, a single Duffing oscillator can be used for weak wide-band signal detection instead of an array of uncoupled Duffing oscillators. Simulation results indicate that, compared with the conventional Duffing oscillator detection method,this approach performs better in frequency detection intervals, and reduces the signal-to-noise ratio detection threshold,while improving the real-time performance of the system.     

基于混沌和随机共振的微弱信号检测

推导了分数阶线性振子系统响应的一阶稳态矩的频率不变性和相移特性, 并通过理论分析得出, 在随机共振机制下, 分数阶线性振子对系统响应一阶稳态矩的幅值具有放大作用. 构造Duffing混沌振子检测器, 利用混沌系统对参数摄动的敏感性以及对噪声的免疫能力实现弱信号检测. 数值模拟证实, 该方法可以有效地从噪声背景中将微弱正弦信号检测出来, 并且相对传统的混沌检测方法能显著降低信噪比检测门限.     

Research on detection method of multi-frequency weak signal based on stochastic resonance and chaos characteristics of Duffing system

Weak signal detection has been widely used in many fields such as military and national economy. Aiming at the problem that the traditional stochastic resonance (SR) method can’t obtain the signal amplitude when detecting weak signals, the frequency and amplitude of the weak signal are obtained by combining the SR and chaos characteristics of the two-dimensional Duffing system. Firstly, the effects of two-dimensional Duffing system parameters a, b, k, noise intensity D on the Kramers rate and signal-to-noise ratio (SNR) are analyzed under the Gaussian white noise environment. The results show that the damping ratio K can hinder the SR effect of the system to some extent. Secondly, to solve the misjudgment of the state method of the weak signal amplitude in the detection, the Lyapunov exponent is used to assure the threshold's range, and the threshold of the chaotic critical state is found. Finally, the paper gives the processes of frequency and amplitude detection of multiple high-frequency signals, which realizes the effective detection of the frequency and amplitude of multiple high-frequency signals in a Gaussian white noise environment, and successfully applies the method to the accurate detection of boundary voltage amplitude in electrical impedance tomography.     

一种基于广义Duffing振子的水中弱目标检测方法

海洋环境中,在水下目标的线谱频率未知或者目标辐射噪声的连续谱很弱时,很难实现水中弱目标的准确检测,本文提出基于广义Duffing振子检测系统的水下目标辐射噪声检测方法.通过对传统周期扰动的Duffing振子信号检测系统的分析和推广,提出了一种可输入非周期、非平稳信号的广义Duffing振子检测系统,可检测输入的无先验信息目标信号.为实现广义Duffing振子系统运动状态的精确、有效判断,提出了一种相空间图形的离散分布列计算方法,通过类网格函数实现了利用统计复杂度对系统输出的嵌入式表征,从而实现了无先验信息时的水中弱目标的嵌入式检测.相同条件下与传统检测方法仿真对比可知,本文提出的方法可以检测到更低信噪比下的目标,并能满足水中检测实时性要求.     

光声池中微弱光声信号检测

大气中的污染源气体含量很少, 用光声光谱对其进行监测得到的光声信号极其微弱. 本文首先分析微弱信号产生机理, 在分析Holmes Duffing方程的基础上, 提出了适合光声池微弱信号检测的变尺度差分方法. 该方法通过对信号进行尺度变换, 再做差分来检测微弱信号. 理论分析和实验表明, 变尺度差分方法能很好地抑制系统相空间的共模噪声, 而且能很好地凸显混沌状态临界值. 变尺度差分方法测出的信号相对误差都小于5%, 说明其可以用于较高频率、 相位和频率都未知的微弱光声信号幅值检测. 关键词： 光声光谱 微弱信号 幅值 Duffing