超高頻微弱信號(hào)檢測(cè)中調(diào)參隨機(jī)共振的應(yīng)用研究

彭敏玲(淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 淮安 223200)

超高頻微弱信號(hào)檢測(cè)中調(diào)參隨機(jī)共振的應(yīng)用研究

彭敏玲(淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 淮安 223200)

隨機(jī)共振能夠檢測(cè)到微弱信號(hào)，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用來說該技術(shù)有極高的應(yīng)用價(jià)值。但是由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有較大的噪音和許多未知超高頻微弱信號(hào)的存在，傳統(tǒng)的隨機(jī)共振方法需要進(jìn)行改良。本文通過針對(duì)超高頻微弱信號(hào)檢測(cè)的需要，提出了一種調(diào)參隨機(jī)共振檢測(cè)微弱信號(hào)方法。通過對(duì)雙穩(wěn)系統(tǒng)阻尼系數(shù)的計(jì)算變化及影響分析，總結(jié)規(guī)律，并基于此規(guī)律提出了實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振對(duì)超高頻微弱信號(hào)檢測(cè)的具體方法。

隨機(jī)共振；微弱信號(hào)檢測(cè)；應(yīng)用

無線電電磁環(huán)境的復(fù)雜性決定了無線電頻率檢測(cè)手段的更新和進(jìn)步。通過對(duì)無線電信號(hào)的特點(diǎn)總結(jié)和分析。業(yè)內(nèi)將信號(hào)在噪聲聲中的提取視為無線電檢測(cè)工作重要研究?jī)?nèi)容[1]。當(dāng)前應(yīng)用廣泛的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和方法主要有：時(shí)域相關(guān)法、三重相關(guān)匹配分析法、取樣積分分析法以及相關(guān)參數(shù)檢測(cè)法等等。上述技術(shù)方法是通過壓縮噪音獲取信號(hào)的，在一定程度上減少了信號(hào)準(zhǔn)確性。而隨機(jī)共振方法是通過利用噪音，通過噪音作用使微弱信號(hào)能量增強(qiáng)，進(jìn)而得到微弱信號(hào)的具體檢測(cè)結(jié)果。但是當(dāng)前隨機(jī)共振在檢測(cè)大參數(shù)超高頻的微弱信號(hào)時(shí)，結(jié)果通常是失敗的。

1 隨機(jī)共振原理概述

1.1 雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振

在非線性系統(tǒng)中，雙穩(wěn)系統(tǒng)是研究隨機(jī)共振最常用的系統(tǒng)之一。雙穩(wěn)系統(tǒng)受微弱信號(hào)和噪聲的驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型公式為

在該公式中a和d分別屬于系統(tǒng)中的參數(shù)，兩個(gè)參數(shù)都大于0。其中U(x）為雙穩(wěn)系統(tǒng)的統(tǒng)式函數(shù)。Δu=a2/4b是系統(tǒng)勢(shì)壘高度，x為系統(tǒng)輸出，u(t)為待測(cè)信號(hào)與噪聲的混合信號(hào)，s(t)=Asin（2πft)為待測(cè)周期信號(hào)。[2]上式子中的A是信號(hào)幅值，f是信號(hào)額頻率數(shù)值。計(jì)算方差得1。

隨機(jī)共振噪音輸出可以用來計(jì)算隨機(jī)共振發(fā)揮的實(shí)際效能。具體計(jì)算方式可先對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行葉變換。進(jìn)而得出K值。當(dāng)需要測(cè)量的微弱信號(hào)為X(K0)時(shí)。就可以利用噪音的功率減去K0的標(biāo)準(zhǔn)功率值。得到以下公式1

1.2 隨機(jī)共振的參數(shù)補(bǔ)償計(jì)算方式

當(dāng)需要測(cè)量超高頻微弱信號(hào)時(shí)，非線性系統(tǒng)就可起到檢測(cè)作用。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，隨機(jī)共振的參數(shù)需要重新設(shè)置，進(jìn)行合理參數(shù)補(bǔ)償，以提升信號(hào)準(zhǔn)確性。對(duì)信號(hào)可實(shí)行隨機(jī)共振檢測(cè)。設(shè)S(t)=Asin(2πft).將假設(shè)式帶入公式1中。得出以下結(jié)論

通過上述公式可以得出結(jié)論為：當(dāng)需要檢測(cè)的微弱信號(hào)在雙穩(wěn)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，信號(hào)的幅值A(chǔ)會(huì)與原信號(hào)產(chǎn)生較大差別。信號(hào)幅值會(huì)變大。但是當(dāng)公式中的f＞1時(shí)。信號(hào)幅值就會(huì)相應(yīng)的縮小。這也說明了信號(hào)頻率越高。信號(hào)檢測(cè)中的消減程度就會(huì)上升。因此當(dāng)隨機(jī)共振對(duì)超高頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，往往不能夠找到高頻的微弱信號(hào)。針對(duì)這一現(xiàn)象可采取參數(shù)放大的措施，使K值能夠抵消相關(guān)檢測(cè)影響。

該公式中的K即為上文提到的參數(shù)補(bǔ)償值。當(dāng)K取值為2πf時(shí)，雙穩(wěn)系統(tǒng)測(cè)量的信號(hào)幅值變化不變，提高了測(cè)量精準(zhǔn)性。因此，隨機(jī)共振雙穩(wěn)系統(tǒng)必須要保持K值在此范圍之內(nèi)，保持其他參數(shù)不變。以確保該方式能夠順利測(cè)出超高頻微弱信號(hào)。

2 超高頻隨機(jī)共振優(yōu)化

隨機(jī)共振超越噪音、信號(hào)等因素影響，提升精準(zhǔn)的超高頻微弱信號(hào)檢測(cè)中隨機(jī)共振應(yīng)用性就必須對(duì)現(xiàn)有隨機(jī)共振進(jìn)行優(yōu)化。在信號(hào)檢測(cè)中，噪音等外在因素?zé)o法改變，但可通過改變吸引子曲線保證系統(tǒng)有效顯示出信號(hào)狀態(tài)的變遷和信號(hào)的特征。吸引子曲線能夠通過參數(shù)展示，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振的最優(yōu)化的噪音、信號(hào)輸出比值。實(shí)現(xiàn)參數(shù)的合理匹配。在具體方案上，可以調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)K，完成對(duì)超高頻微弱信號(hào)的檢測(cè)工作。

2.1 調(diào)節(jié)阻尼參數(shù)

可以基于對(duì)白噪聲信息處理模式，列出隨機(jī)共振系統(tǒng)的公式為：

公式中n(t)是噪聲具體強(qiáng)度值。平均值為[n(t)]=0，E[n(t)n(t－ τ)]=2Dσ(τ)?？杉僭O(shè) t=rt為 x（t）+x（rt）?？闪谐鲆幌鹿剑?/p>

因此。將頻率為f0的低頻信號(hào)可套用在上述公式當(dāng)中。計(jì)算其他值域的信號(hào)幅值以及頻率情況，使得該取值為λf0的朝高頻微弱信號(hào)。如果檢測(cè)要求是獲得與頻率為f0超高頻微弱信號(hào)相同信號(hào)幅值，那么就把該公式中的阻尼系數(shù)進(jìn)行縮小計(jì)算。這里需要注意的是，要保證公式中的其他參數(shù)與預(yù)設(shè)值相同，只需要改變頻率和時(shí)間以及阻尼系數(shù)，在頻域中的計(jì)算，要將整個(gè)頻率范圍上設(shè)置一個(gè)有用的恒定的分量，這樣能夠保證噪音的強(qiáng)度保持不變。

2.2 優(yōu)化參數(shù)計(jì)算

從優(yōu)化的速率公式為作為參數(shù)計(jì)算的開始，以此為基礎(chǔ)探討阻尼系數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)共振的影響。通過上文吸引子曲線的敘述，可以得出結(jié)論由噪聲引起的動(dòng)點(diǎn)躍遷的速率可:rk=(2πk)－1U。實(shí)際上，吸引子曲線中實(shí)線上的各點(diǎn)與信號(hào)的具體平衡點(diǎn)處的振動(dòng)角頻率相差較大，通過函數(shù)計(jì)算與逃逸速率的計(jì)算，可以測(cè)得該系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振時(shí)，系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率與輸入激勵(lì)信號(hào)頻率一致。因此這也滿足了動(dòng)點(diǎn)在某一側(cè)吸引子的駐留時(shí)間與激勵(lì)信號(hào)周期大致相等。因此當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率逐漸轉(zhuǎn)化為λf0時(shí)，這時(shí)的隨機(jī)共振就要依據(jù)a槡2πkexp(－a24b D)=2λf0(13)等計(jì)算數(shù)值進(jìn)行操作。這里需要注意的是，必須保持系統(tǒng)參數(shù)a和b保持不變，而且阻尼系數(shù)k還要為原來1/λ倍，進(jìn)而可得出具體量化關(guān)系?？蓞⒖既绫?內(nèi)容。根據(jù)表1的具體參照值，就可以根據(jù)待檢信號(hào)的頻率選取合適的阻尼系數(shù)，保證二者之間的高度匹配，當(dāng)檢測(cè)超高微弱信號(hào)頻率，要及時(shí)減小阻尼系數(shù)，反之，則應(yīng)將阻尼系數(shù)也可以相應(yīng)的增大。一切取決于信號(hào)頻率大小。

表1 阻尼系數(shù)與待檢信號(hào)頻率對(duì)照表

3 高頻信號(hào)檢測(cè)中調(diào)參隨機(jī)共振的應(yīng)用策略

通過上文敘述，可以驗(yàn)證一點(diǎn)，就是當(dāng)信號(hào)檢測(cè)頻率檢測(cè)較高時(shí)，阻尼系數(shù)的取值應(yīng)該偏低。較小的阻尼取值能夠提高信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確性，保障對(duì)超高頻信號(hào)檢測(cè)時(shí)，對(duì)信號(hào)保存的完整性。同時(shí)通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算能夠?qū)﹄S機(jī)共振產(chǎn)生良好作用。所以。工作人員在對(duì)高超高頻微弱信號(hào)檢測(cè)時(shí)。

通過重點(diǎn)調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隨機(jī)共振的進(jìn)步升級(jí)。完善其微弱信號(hào)檢測(cè)功能。在進(jìn)行具體的檢測(cè)時(shí)。準(zhǔn)備檢測(cè)的信號(hào)頻率和雙穩(wěn)線性系統(tǒng)處理的信號(hào)頻率都存在較大的變數(shù)。很容易在信號(hào)、噪音輸出后產(chǎn)生變形。影響信號(hào)檢測(cè)質(zhì)量，且無法具體獲取信號(hào)變化周期性規(guī)律。

在應(yīng)用過程中，可提前預(yù)測(cè)檢測(cè)信號(hào)頻率范圍。根據(jù)頻率規(guī)律，進(jìn)行阻尼系數(shù)的合理最優(yōu)取值。再通過阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)行檢測(cè)范圍調(diào)整。通過信號(hào)頻譜度信息，選取躍遷閾值范圍，根據(jù)具體的取值規(guī)律，進(jìn)行規(guī)律性的計(jì)算和取值。以此得出信號(hào)相匹配對(duì)應(yīng)的阻尼系數(shù)。如果信號(hào)發(fā)生躍遷的情況。就要將信號(hào)頻譜圖中的信號(hào)幅值以及其對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率做好記錄和分析。如果沒有產(chǎn)生躍遷，就可以繼續(xù)在閾值范圍取值。

4 超高頻無線電微弱信號(hào)檢測(cè)案例分析

4.1 設(shè)備調(diào)試

檢測(cè)計(jì)算機(jī)能夠使用軟件外聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)與射頻的相互連接。這樣能夠確保無線電信號(hào)發(fā)射和接收能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而且能基于此項(xiàng)操作完成多數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)換、信號(hào)變頻等功能的運(yùn)用。此次案例使用的通用軟件無線電平臺(tái)具有發(fā)射和接收功能，且覆蓋頻帶范圍達(dá)80MHz～6.5GHz。

4.2 檢測(cè)操作

使用信號(hào)發(fā)射器發(fā)射正弦信號(hào)（沒有經(jīng)過調(diào)制），故而該信號(hào)一定會(huì)被噪音所污染。所以前面談到的通用軟件無線電平臺(tái)會(huì)收到一個(gè)受到噪音污染的微弱信號(hào)。信號(hào)為Sn(t)=Asin(2πf0t)+n(t)。所測(cè)得信號(hào)幅值為0.35。信號(hào)頻率為f0=450MHZ。其中采樣頻率為50f0·n(t)。[3]輸入的信號(hào)和噪音比值超過-39.8分貝。再講保存下來的信號(hào)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。放到商業(yè)數(shù)學(xué)軟件（Matlab）中進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和分析。經(jīng)過計(jì)算分析后。所得到的信號(hào)頻率周期性弱。

4.3 微弱信號(hào)檢測(cè)

進(jìn)行微弱信號(hào)檢測(cè)要先將測(cè)試信號(hào)的頻率進(jìn)行預(yù)估和假設(shè)。確保信號(hào)頻率為0.1—0.2Hz之間，其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)匹配的阻尼系數(shù)為k'0=0．86，根據(jù)阻尼系數(shù)調(diào)整方案，可以確定要進(jìn)行檢測(cè)的微弱信號(hào)最優(yōu)阻尼系數(shù)為k0=k'0X(f·0/f0)=3.4 X10-10。對(duì)阻尼系數(shù)k和躍遷閾值變化進(jìn)行分析，得出的固定躍遷寬度lyq=4.6，得出計(jì)算結(jié)果為a=0．06b=0.014 5。[4]通過模擬技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)輸出的信號(hào)頻率進(jìn)行整理，形成信號(hào)頻譜圖，如圖1所示。通過對(duì)頻譜圖1的分析，可以發(fā)現(xiàn)在450MHz處有明顯的峰值。

圖1 躍遷閾值為0.0145時(shí)系統(tǒng)輸出時(shí)頻域圖

4.4 阻尼系數(shù)取值

阻尼系數(shù)的取值范圍應(yīng)為[1.5×11-10，3.1× 1010]，在通過間隔選取值進(jìn)行取值調(diào)整。根據(jù)取值結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)躍遷閾值范圍[0.015，0.4]，以間隔0.02的方式監(jiān)視信號(hào)輸出躍遷穩(wěn)定情況。并進(jìn)行記錄，得出最終檢測(cè)結(jié)果為：統(tǒng)一信號(hào)頻率處均出現(xiàn)最大信號(hào)幅值。通過其他組別的計(jì)算和分析。各組的系統(tǒng)依據(jù)各自測(cè)得的輸出信號(hào)頻譜圖，進(jìn)行進(jìn)行相應(yīng)的分析計(jì)算，進(jìn)而可得出其對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的躍遷過程穩(wěn)定狀態(tài)情況以及實(shí)時(shí)的信號(hào)頻率。工作人員應(yīng)對(duì)此進(jìn)行記錄。具體情況如表2所示。

表2 調(diào)增躍遷值和阻尼系數(shù)取值監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用該模式的隨機(jī)共振方式最突出特征是對(duì)阻尼系數(shù)的分析和計(jì)算。即當(dāng)阻尼系數(shù)取值較小時(shí)。噪音影響下的隨機(jī)躍遷成為信號(hào)干擾的主要原因。致使在該環(huán)境喜愛進(jìn)行隨機(jī)共振時(shí)，不能夠有效推動(dòng)信號(hào)的方式獲取信號(hào)檢測(cè)結(jié)果。且檢測(cè)的最信號(hào)大幅值與信號(hào)實(shí)際頻率沒有聯(lián)系性。但是隨著阻尼系數(shù)的取值的增大。噪音對(duì)信號(hào)的干擾能量下降。信號(hào)推動(dòng)作用更加明顯。出現(xiàn)連續(xù)性的信號(hào)躍遷。躍遷的信號(hào)幅值與信號(hào)頻率處在相同頻次。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，通過本文的介紹說明了，在噪音干擾下，進(jìn)行超高頻微弱信號(hào)檢測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜苦難的工作。經(jīng)過對(duì)隨機(jī)共振方式的優(yōu)化和調(diào)整。有效解決了隨機(jī)共振無法檢測(cè)超高頻微弱信號(hào)的問題。本文通過提出吸引子曲線模式。提出了阻尼系數(shù)取值和系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算對(duì)隨機(jī)共振的影響。通過計(jì)算分析和規(guī)律總結(jié)，通過無線電微弱信號(hào)檢測(cè)案例分析。針對(duì)性提出了出檢測(cè)超高頻信號(hào)的調(diào)參等相關(guān)策略。說明了在超高頻微弱信號(hào)檢測(cè)過程中，完善和加強(qiáng)對(duì)線性系統(tǒng)參數(shù)的同步優(yōu)化工作，以此獲得相對(duì)較好的隨機(jī)共振效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用隨機(jī)共振對(duì)超高頻微弱信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與處理工作。

[1]郝靜，杜太行，江春冬，孫曙光，付超.調(diào)參隨機(jī)共振在超高頻微弱信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用[J].2016,36(9):2374－2380.

[2]焦尚彬,寇潔,張青.基于DSP的自適應(yīng)隨機(jī)共振微弱信號(hào)檢測(cè)方法理論與方法[J].2016(3).32-36.

[3]陳敏，胡蔦慶，秦國(guó)軍.外加信號(hào)增強(qiáng)隨機(jī)共振在微弱信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(3):109-112.，58(8):5196-5200．