基于自适应随机共振的微弱信号检测方法研究

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微弱信号检测是信号检测技术的一个新兴领域,它可以应用到国防、生命科学、生物医学工程、生产和生活等各个方面。  随机共振是一种利用噪声来增强微弱信号传输的非线性现象。与线性方法相比,随机共振能把部分噪声能量转化为信号能量,突出待检信号。随机共振能在短数据集条件下检测更低信噪比的信号。随机共振还具有快速、适合于实时应用等特点。因此,随机共振这种新型信号处理方法受到了人们的广泛关注。自适应随机共振系统能根据不同的待测含噪信号,自动调节非线性系统结构参数,提取被噪声淹没的微弱特征信号,因此,自适应随机共振在实际的工程应用中具有重要的实用价值。  本文对自适应随机共振的微弱信号检测方法展开了研究,论文主要内容包括以下几点:  (1)介绍了课题的研究背景及意义,回顾了随机共振的起源及发展历程,总结了随机共振现象的国内外研究现状,讲述了课题研究方向及内容,论述了自适应随机共振的研究现状,提出了待解决的问题,给出了文章的研究内容。  (2)从液体中布朗粒子的运动规律出发,讲述了非线性朗之万方程的来源,进而分析了双稳系统的动力学模型及其检测微弱周期信号的机制;讲述了二次采样随机共振原理。  (3)以含噪单频微弱信号激励下的双稳态随机共振系统结构参数优化为研究对象,提出了几个能全面衡量自适应优化算法性能的评价指标,对比研究了遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等智能算法在随机共振系统结构参数优化中的性能。  (4)针对多频微弱信号(包括多频小参数、多频大参数、宽频带多频大参数)的检测,提出了以平均输出信噪比为多频微弱信号的随机共振效应衡量指标;并进一步提出了基于知识的粒子群算法的多频微弱信号自适应随机共振检测方法。仿真表明,该方法能有效检测多频微弱信号,相比标准粒子群算法,知识的粒子群算法提高了参数优化的性能和效率。通过水轮机振动信号提取的工程应用进一步表明,该方法参数寻优效率高,简单易行,在采样点数较少的条件下能检测出淹没在强噪声中的多频微弱信号,可以实现早期故障特征信号的提取,进一步验证了所提方法的有效性。  (5)针对微弱冲击信号的检测,提出了基于知识的粒子群算法的微弱冲击信号自适应随机共振检测方法。仿真表明,该方法能有效检测出微弱的冲击信号,相比标准粒子群算法,知识的粒子群算法提高了双稳态随机共振的系统结构参数的优化效率和性能。  (6)针对微弱数字脉冲信号的检测,提出了基于知识的粒子群算法的微弱数字脉冲信号自适应随机共振检测方法。仿真表明,该方法能有效检测出微弱的数字脉冲信号,相比标准粒子群算法,知识的粒子群算法提高了双稳态随机共振的系统结构参数的优化效率和性能。
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