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随机共振信号恢复机理与方法研究

张莹  
【摘要】: 随机共振通过噪声加强了非线性系统对外界响应的灵敏性和选择性。能量转移机制使微弱信息在输出频谱中突显出来,但同时系统输出的时域波形发生失真。本文围绕双稳随机共振输出波形的恢复问题展开了深入的研究,对促进随机共振理论的发展和完善,指导其工程应用具有重要的意义。 双稳随机共振的三要素是噪声、双稳系统和输入信号。由此发展起来的噪声调谐、系统参数调节以及二次采样随机共振可看作是在非绝热近似条件下,改变某一要素的特性去适应其他要素以达到系统协同的过程。从优化系统输出性能的角度进行考察,调节系统参数的方法优于寻找最优噪声强度的传统方法,而二次采样随机共振对于信号频率具有更强的适应性。当输入中噪声强度和信号频率均为大参数时,系统参数和二次采样频率可以结合起来对系统行为产生有益的调节作用。 将信号处理和粒子动力学相结合,对双稳系统输出波形失真因素及表现形式进行分析,给出了恢复系统函数。通过讨论幅值不同的四类无噪正弦信号的波形恢复过程,揭示了由粒子跃迁经过双稳系统势函数拐点引起的脉冲失真。对于阈下随机共振,为减小残余噪声的干扰,引入级联双稳系统和参数可调的恢复系统对信号波形进行有效恢复。 将信号分为类正弦信号和类脉冲信号,提出基于信号分类的随机共振恢复方法。对上述两类信号,可以选择级联双稳或单稳随机共振提取被噪声污染的有用信息,然后求取参数可调或者参数固定的恢复系统对随机共振输出的响应即为恢复信号。该法与系统参数调节和二次采样随机共振相结合,可用于大参数信号的波形恢复。实验证明,基于信号分类的恢复方法直接面向响应输出,适用于处理有限长的采样数据,是随机共振在信号时域处理中的扩展和补充。类脉冲信号的恢复方法因选择单稳随机共振而没有阱间跃迁发生,故不需要实现参数最优化,降低了调参难度。 根据实际工况和测试领域的不同,将双稳随机共振技术以及基于信号分类的随机共振恢复方法应用到流量计系统、金属切削过程的振动分析中,验证了随机共振技术在特征提取、故障诊断等工程领域的实用性和有效性。


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