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基于达芬振子的微弱信号检测方法研究

吴冬梅  
【摘要】:微弱信号检测在通信、雷达及声呐等领域有着广泛而重要的应用。正是由于微弱信号检测技术应用的广泛性和迫切性使之成为一个研究热点,并促使人们不断探索与研究微弱信号检测的新理论、新方法,以期能更快速、更准确地从强背景噪声中检测出微弱信号。传统的微弱信号时域检测方法,输入信噪比门限受到一定限制,很难进一步降低。近些年来,非线性科学的研究为人们认识问题、分析问题和解决问题提供了一条新颖的思路。特定的混沌系统对特定小信号的敏感性以及对噪声的免疫力使它在信号检测中具有很好的应用前景。从20世纪90年代起,有研究者将混沌理论应用于微弱信号检测,为混沌理论的工程应用开辟了新领域,将微弱信号检测理论推进了一大步。基于混沌的检测方法弥补了传统方法的不足,检测性能达到了很低的信噪比。因此对混沌微弱信号检测方法开展研究,在理论上和应用上都具有重要意义。 本文正是在这样的背景下,结合国家自然科学基金资助项目,对基于达芬振子的微弱信号检测与估计方法和其在数字调制信号检测中的应用进行了深入研究与探讨。论文主要内容包括: 1.对软弹簧达芬(Duffing)振子进行了理论与数值分析,为后文基于混沌振子的微弱信号检测研究提供了依据。 2.研究了混沌微弱信号检测方法中的系统状态迁移检测技术,提出了基于功率谱特征和基于相图域分割的两种检测方法。基于功率谱能量特征的方法能够可靠而快速地实现系统状态迁移检测,提高了检测效率。相图域分割方法通过引入区域分割线将二维相图映射为一维时间信号,从而实现实时自动检测系统状态变化的目的,适用于实时微弱信号检测。 3.研究了基于混沌临界状态达芬振子的微弱信号检测方法。全面深入地研究了基于混沌临界状态的微弱信号检测和参数估计的原理,在此基础上提出了对待检测信号相位无依赖的检测方法。 4.研究了基于临界分岔处达芬周期振子的微弱信号参数估计方法。提出一种基于达芬振子周期区域的频率已知微弱正弦信号的幅值和相位估计方法,理论分析与数值仿真试验证明了该方法的可行性和有效性。 5.研究利用达芬振子检测数字调制信号的方法。研究了二进制数字调制信号的混沌检测方法,分析了载波偏移对检测性能的影响。构建了基于达芬周期振子的BPSK/DPSK信号检测器。通过蒙特卡罗(Monte Carlo)仿真研究了检测器的性能,验证了该方法用于常规通信信号检测的可行性。 总之,本文深入研究了达芬振子在微弱信号检测中的应用问题。为了提高检测效率和实现实时检测,提出了两种达芬振子状态迁移的自动检测方法。提出了对待测信号相位无依赖的检测方法,消除了单个达芬振子对待检测信号的相位依赖性。提出一种基于达芬振子周期区域的频率已知微弱正弦信号的幅值和相位估计方法,并将该方法用于二进制数字调制信号的检测。通过数值仿真分析和实验表明达芬振子用于数字调制信号的检测是可行的。以上研究为微弱信号检测提供了一种具有实际应用价值的新方法,为非线性检测方法在通信信号检测中的应用奠定了基础,可以直接应用于通信、雷达和声呐等实际信号的检测中。


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