Duffing振子微弱信号检测方法研究

在前期实验工作的基础上,从理论分析的角度,提出了利用Duffing振子从大周期态向混沌态的相变 作为判据的微弱周期信号检测方法,给出了检测原理,并论证了其可行性;从过渡带影响和检测概率两方面 将该方法与传统的检测方法进行了比较分析,并对两者的检测性能进行了仿真对比.分析和仿真结果都显示,相同条件下, Duffing振子从大周期态向混沌态的相变受过渡带影响更小,所提方法具有更好的检测性能. 实验数据还表明, Duffing振子检测微弱信号只能基于单向相变, 利用阵发混沌进行频差检测只适用于待测信号信噪比较高的情况. 关键词： Duffing 混沌 检测 过渡带     

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.     

基于扩展型Duffing振子的局部放电信号检测方法研究

目前, 小波阈值去噪法、数字滤波法、傅里叶频域变换法等常用的微弱信号检测方法所能达到的最低检测信噪比为-10 dB, 而双向环形耦合Duffing振子能达到的最低检测信噪比为-20 dB. 但是, 现场检测时常常会出现更低信噪比的放电脉冲信号, 因此现有检测方法就很难满足信号检测的实际需求. 为了有效解决该难题, 研究了一种扩展型Duffing振子的微弱脉冲信号检测的新方法. 该方法的主要思想是使用广义时间尺度变换, 将Duffing振子模型变换为扩展型Duffing振子模型, 有效扩展了微弱信号的频率检测范围. 仿真结果表明, 扩展型Duffing振子不仅具有良好的噪声免疫特性, 而且能有效检测到信噪比低至-40 dB的局部放电微弱脉冲信号, 进一步扩展了现有Duffing振子微弱信号检测方法的检测范围和应用领域.     

一种Duffing弱信号检测新方法及仿真研究

研究了利用混沌相变进行弱信号检测的理论及仿真试验.对基于Duffing振子初值敏感性检测弱信号的方法分析后指出,过渡过程会影响检测性能,提出一种改进的弱信号检测方法.对仿真输入噪声生成和仿真步长选择进行研究后建立了仿真模型,在典型噪声背景下检测弱正弦信号.实验结果表明：所提出的方法有较好检测性能;混沌临界态的Duffing系统对噪声敏感导致相变方法难以精确确定最小检测幅值.指出了这类方法的局限性. 关键词： 混沌 信号检测 周期信号 白噪声     

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.     

Weak guided wave signal detection using period jump of Duffing system

A potential risk in ultrasonic guided wave testing is that weak echo signals from small defects may be submerged in noisy signals, which will cause missed detection. To overcome this shortcoming, a weak guided wave signal detection method based on period jump of the Duffing system is proposed in this paper. The critical state of the system period jump can be obtained by analyzing the bifurcation characteristics of the Duffing system with the variation of the driving force amplitude. A weak ultrasonic guided wave signal with the same frequency as the driving force is added to the driving force. This is equivalent to changing the driving force amplitude, which causes the period state to jump. Consequently, the weak guided wave signals can be identified based on the period jumps. The increase or decrease in the driving force amplitude due to the interference of the guided wave signal depends on the phase difference between the intercepted signal and the periodic driving force. The conditions for increasing and decreasing the driving force amplitude are out of phase with each other.They have an approximate phase difference of π within the same period. Two detection models for small-scale periodic states(SPS) and large-scale periodic states(LPS) are constructed, and the effectiveness of the models in identifying the guided wave signal is verified numerically and experimentally. The anti-noise interference capabilities of the two models are also compared.The results show that the SPS detection model provides unique results and a strong anti-noise ability, and effectively improves the sensitivity of small defect detection using ultrasonic guided waves.     

环形耦合Duffing振子间的同步突变

以环形耦合Duffing振子系统为研究对象,分析了耦合振子间的同步演化过程.发现在弱耦合条件下,如果所有振子受到同一周期策动力的驱动,那么系统在经历倍周期分岔、混沌态、大尺度周期态的相变时,各振子的运动轨迹之间将出现由同步到不同步再到同步的两次突变现象.利用其中任何一次同步突变现象可以实现系统相变的快速判别,并由此补充了利用倍周期分岔与混沌态的这一相变对微弱周期信号进行检测的方法. 关键词： Duffing振子 同步突变 相变 微弱信号检测     

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     

类Liu系统在水声微弱信号检测中的应用研究

利用三阶混沌系统构造了一种新的微弱信号检测系统——类Liu系统, 对类Liu 系统进行了深度的理论分析. 类Liu系统中, 当输入待测信号幅值大于某临界值时, 系统可达到平衡点S₀, S₀中系统变量x平衡于摄动力信号, 系统变量y, z收敛于零态, 且S₀ 对应的Lyapunov指数小于零. 通过Matlab仿真、Multisim电路仿真以及实际电路证明了类Liu系统的周期态收敛性及广域检测性, 解决了传统Duffing系统进行微弱信号检测时周期态不收敛、只能进行窄域检测等问题, 同时谱级信噪比范围仍可达-46.57 dB. 类Liu系统采用了全新的设计理念, 具有较高的实用价值, 对未来海洋物联网中的水声通信有一定参考价值.     

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Duffing振子的变尺度微弱特征信号检测方法研究

研究了Holmes型Duffing方程的混沌特性用于信号检测的方法,针对该方法只适用检测特定频率成分信号、方程参数选择不便以及噪声影响检测结果等情况,提出基于Duffing振子的变尺度微弱特征信号检测方法. 数值分析表明,该方法可以仅用一组确定的参数条件,检测任意频率、任意相位的特征信号.     

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.     

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.     

利用Duffing系统周期跳跃的弱超声导波识别

在超声导波检测中,由小缺陷产生的弱回波信号有可能淹没在噪声信号中从而造成漏检风险,通过分析Duffing系统随策动力幅值变化的分岔特性,获得了系统发生周期跳跃的临界状态,将与策动力同频率的弱回波信号作为干扰项叠加到Duffing系统临界状态中,相当于改变了策动力的幅值,从而引起临界状态的周期跳跃,依据系统的周期跳跃实现...     

The application of Duffing oscillator in characteristic signal detection of early fault

This paper presents a study of application of Duffing oscillator for extracting the features of early mechanical failure signal. By analysis of global solutions and bifurcation set of Duffing equation, we conclude that the bifurcation threshold, which corresponds to the maximum orbit outside the homoclinic orbit of Duffing equation, can be used to detect weak signal, such as the characteristic signal of early machinery fault. Therefore, the Duffing oscillator is suitable to be a model for weak signal detection, although some relative aspects for practical uses should be considered carefully. In this paper, the strategies for testing whether the weak signal is exists and how to estimate its amplitude are discussed in detail. Moreover, an example is presented here to demonstrate the utility of this method by analyzing the early rub-impact signal appearing in a rotor. The results show that the method is effective for early detection of fault described by specific periodic-motion components such as rub-impact fault of rotor in aeroengine.     

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.     

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     

基于量子粒子群算法的自适应随机共振方法研究

为提升随机共振理论在微弱信号检测领域中的实用性,以随机共振系统参数为研究对象,提出了基于量子粒子群算法的自适应随机共振方法.首先将自适应随机共振问题转化为多参数并行寻优问题,然后分别在Langevin系统和Duffing振子系统下进行仿真实验.在Langevin系统中,将量子粒子群算法和描点法进行了寻优结果对比;在Duffing振子系统中,Duffing振子系统的寻优结果则直接与Langevin系统的寻优结果进行了对比.实验结果表明:在寻优结果和寻优效率上,基于量子粒子群算法的自适应随机共振方法要明显高于描点法;在相同条件下,Duffing振子系统的寻优结果要优于Langevin系统的寻优结果;在两种系统下,输入信号信噪比越低就越能体现出量子粒子群算法的优越性.最后还对随机共振系统参数的寻优结果进行了规律性总结.