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基于随机共振的微弱冲击信号检测技术研究

王强  
【摘要】: 强噪声背景下的微弱信号检测是一项常规的研究课题,在工程实践中具有广泛的应用价值。例如,微弱信号源的定位在故障诊断以及灾后救生方面发挥了重要作用。微弱信号检测技术是基于电子学、信息论、物理学和统计学等理论,研究待测信号和噪声的统计特性与相关性,通过现代信号处理手段抑制噪声,提取出被强噪声背景淹没的弱信号。 人们通常认为噪声是不利于信号的检测,它降低了系统的信号输出反应,将待测的信号淹没在嘈杂的背景噪声中难以测量出来。然而,近年来非线性科学的不断发展,提出的随机共振理论,成为了弱信号检测的新理论和方法,它指出通过加入一定的噪声,以提高非线性双稳态系统的输出能力,从而增强对微弱信号的检测。本文以非周期冲击信号为研究对象,提出了利用随机共振原理进行弱信号检测的基本思想及其具体实现方法。论文主要工作包括: 首先,本文回顾了弱信号检测技术的相关理论,重点介绍了随机共振的发展和实验研究状况。在此基础上,以经典的朗之万方程和福克-普朗克方程为基础,阐述了随机共振的基本原理,并通过大量的Simulink仿真实验系统地研究了出现随机共振状态时非线性双稳态系统、待测信号和噪声之间的关系。 其次,以微弱非周期冲击信号为研究对象,重点研究了非线性双稳态系统结构参数、噪声以及参考信号特征参数对非周期冲击信号检测性能的影响规律,并通过仿真实验分析了冲击信号和色噪声通过非线性双稳态系统输出的随机共振效应。 然后,针对从强色噪声背景中提取微弱的冲击信号,提出基于随机共振的自适应弱信号提取算法的详细设计思路和流程,算法主要通过自适应调节非线性双稳态系统参数和输入信号增益使检测系统达到随机共振状态,从而提取冲击信号。 最后,构建了基于随机共振的弱信号检测实验模拟系统,对系统进行了有效性验证。对微弱非周期冲击信号的检测实验结果表明,利用该系统可以实现对微弱冲击信号进行增强并将其检测出来。


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