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

超高頻微弱信號檢測中調(diào)參隨機共振的應(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)

隨機共振能夠檢測到微弱信號，對于工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用來說該技術(shù)有極高的應(yīng)用價值。但是由于工業(yè)現(xiàn)場有較大的噪音和許多未知超高頻微弱信號的存在，傳統(tǒng)的隨機共振方法需要進行改良。本文通過針對超高頻微弱信號檢測的需要，提出了一種調(diào)參隨機共振檢測微弱信號方法。通過對雙穩(wěn)系統(tǒng)阻尼系數(shù)的計算變化及影響分析，總結(jié)規(guī)律，并基于此規(guī)律提出了實現(xiàn)隨機共振對超高頻微弱信號檢測的具體方法。

隨機共振；微弱信號檢測；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手段的更新和進步。通過對無線電信號的特點總結(jié)和分析。業(yè)內(nèi)將信號在噪聲聲中的提取視為無線電檢測工作重要研究內(nèi)容[1]。當前應(yīng)用廣泛的信號檢測技術(shù)和方法主要有：時域相關(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)檢測法等等。上述技術(shù)方法是通過壓縮噪音獲取信號的，在一定程度上減少了信號準確性。而隨機共振方法是通過利用噪音，通過噪音作用使微弱信號能量增強，進而得到微弱信號的具體檢測結(jié)果。但是當前隨機共振在檢測大參數(shù)超高頻的微弱信號時，結(jié)果通常是失敗的。

1 隨機共振原理概述

1.1 雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機共振

在非線性系統(tǒng)中，雙穩(wěn)系統(tǒng)是研究隨機共振最常用的系統(tǒng)之一。雙穩(wěn)系統(tǒng)受微弱信號和噪聲的驅(qū)動。該系統(tǒng)動力學(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)勢壘高度，x為系統(tǒng)輸出，u(t)為待測信號與噪聲的混合信號，s(t)=Asin（2πft)為待測周期信號。[2]上式子中的A是信號幅值，f是信號額頻率數(shù)值。計算方差得1。

隨機共振噪音輸出可以用來計算隨機共振發(fā)揮的實際效能。具體計算方式可先對輸出信號進行葉變換。進而得出K值。當需要測量的微弱信號為X(K0)時。就可以利用噪音的功率減去K0的標準功率值。得到以下公式1

1.2 隨機共振的參數(shù)補償計算方式

當需要測量超高頻微弱信號時，非線性系統(tǒng)就可起到檢測作用。在系統(tǒng)運行時，隨機共振的參數(shù)需要重新設(shè)置，進行合理參數(shù)補償，以提升信號準確性。對信號可實行隨機共振檢測。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：當需要檢測的微弱信號在雙穩(wěn)系統(tǒng)運行的情況下進行檢測時，信號的幅值A(chǔ)會與原信號產(chǎn)生較大差別。信號幅值會變大。但是當公式中的f＞1時。信號幅值就會相應(yīng)的縮小。這也說明了信號頻率越高。信號檢測中的消減程度就會上升。因此當隨機共振對超高頻信號進行檢測時，往往不能夠找到高頻的微弱信號。針對這一現(xiàn)象可采取參數(shù)放大的措施，使K值能夠抵消相關(guān)檢測影響。

該公式中的K即為上文提到的參數(shù)補償值。當K取值為2πf時，雙穩(wěn)系統(tǒng)測量的信號幅值變化不變，提高了測量精準性。因此，隨機共振雙穩(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出超高頻微弱信號。

2 超高頻隨機共振優(yōu)化

隨機共振超越噪音、信號等因素影響，提升精準的超高頻微弱信號檢測中隨機共振應(yīng)用性就必須對現(xiàn)有隨機共振進行優(yōu)化。在信號檢測中，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)有效顯示出信號狀態(tài)的變遷和信號的特征。吸引子曲線能夠通過參數(shù)展示，實現(xiàn)隨機共振的最優(yōu)化的噪音、信號輸出比值。實現(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，完成對超高頻微弱信號的檢測工作。

2.1 調(diào)節(jié)阻尼參數(shù)

可以基于對白噪聲信息處理模式，列出隨機共振系統(tǒng)的公式為：

公式中n(t)是噪聲具體強度值。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的低頻信號可套用在上述公式當中。計算其他值域的信號幅值以及頻率情況，使得該取值為λf0的朝高頻微弱信號。如果檢測要求是獲得與頻率為f0超高頻微弱信號相同信號幅值，那么就把該公式中的阻尼系數(shù)進行縮小計算。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間以及阻尼系數(shù)，在頻域中的計算，要將整個頻率范圍上設(shè)置一個有用的恒定的分量，這樣能夠保證噪音的強度保持不變。

2.2 優(yōu)化參數(shù)計算

從優(yōu)化的速率公式為作為參數(shù)計算的開始，以此為基礎(chǔ)探討阻尼系數(shù)變化對系統(tǒng)產(chǎn)生隨機共振的影響。通過上文吸引子曲線的敘述，可以得出結(jié)論由噪聲引起的動點躍遷的速率可:rk=(2πk)－1U。實際上，吸引子曲線中實線上的各點與信號的具體平衡點處的振動角頻率相差較大，通過函數(shù)計算與逃逸速率的計算，可以測得該系統(tǒng)發(fā)生隨機共振時，系統(tǒng)輸出信號的頻率與輸入激勵信號頻率一致。因此這也滿足了動點在某一側(cè)吸引子的駐留時間與激勵信號周期大致相等。因此當激勵信號頻率逐漸轉(zhuǎn)化為λf0時，這時的隨機共振就要依據(jù)a槡2πkexp(－a24b D)=2λf0(13)等計算數(shù)值進行操作。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，進而可得出具體量化關(guān)系。可參考如表1內(nèi)容。根據(jù)表1的具體參照值，就可以根據(jù)待檢信號的頻率選取合適的阻尼系數(shù)，保證二者之間的高度匹配，當檢測超高微弱信號頻率，要及時減小阻尼系數(shù)，反之，則應(yīng)將阻尼系數(shù)也可以相應(yīng)的增大。一切取決于信號頻率大小。

表1 阻尼系數(shù)與待檢信號頻率對照表

3 高頻信號檢測中調(diào)參隨機共振的應(yīng)用策略

通過上文敘述，可以驗證一點，就是當信號檢測頻率檢測較高時，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檢測準確性，保障對超高頻信號檢測時，對信號保存的完整性。同時通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)計算能夠?qū)﹄S機共振產(chǎn)生良好作用。所以。工作人員在對高超高頻微弱信號檢測時。

通過重點調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對隨機共振的進步升級。完善其微弱信號檢測功能。在進行具體的檢測時。準備檢測的信號頻率和雙穩(wěn)線性系統(tǒng)處理的信號頻率都存在較大的變數(shù)。很容易在信號、噪音輸出后產(chǎn)生變形。影響信號檢測質(zhì)量，且無法具體獲取信號變化周期性規(guī)律。

在應(yīng)用過程中，可提前預(yù)測檢測信號頻率范圍。根據(jù)頻率規(guī)律，進行阻尼系數(shù)的合理最優(yōu)取值。再通過阻尼系數(shù)對系統(tǒng)的進行檢測范圍調(diào)整。通過信號頻譜度信息，選取躍遷閾值范圍，根據(jù)具體的取值規(guī)律，進行規(guī)律性的計算和取值。以此得出信號相匹配對應(yīng)的阻尼系數(shù)。如果信號發(fā)生躍遷的情況。就要將信號頻譜圖中的信號幅值以及其對應(yīng)的信號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檢測案例分析

4.1 設(shè)備調(diào)試

檢測計算機能夠使用軟件外聯(lián)的方式，實現(xiàn)與射頻的相互連接。這樣能夠確保無線電信號發(fā)射和接收能夠正常運轉(zhuǎn)。而且能基于此項操作完成多數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)換、信號變頻等功能的運用。此次案例使用的通用軟件無線電平臺具有發(fā)射和接收功能，且覆蓋頻帶范圍達80MHz～6.5GHz。

4.2 檢測操作

使用信號發(fā)射器發(fā)射正弦信號（沒有經(jīng)過調(diào)制），故而該信號一定會被噪音所污染。所以前面談到的通用軟件無線電平臺會收到一個受到噪音污染的微弱信號。信號為Sn(t)=Asin(2πf0t)+n(t)。所測得信號幅值為0.35。信號頻率為f0=450MHZ。其中采樣頻率為50f0·n(t)。[3]輸入的信號和噪音比值超過-39.8分貝。再講保存下來的信號采樣數(shù)據(jù)進行上傳。放到商業(yè)數(shù)學(xué)軟件（Matlab）中進行相關(guān)計算和分析。經(jīng)過計算分析后。所得到的信號頻率周期性弱。

4.3 微弱信號檢測

進行微弱信號檢測要先將測試信號的頻率進行預(yù)估和假設(shè)。確保信號頻率為0.1—0.2Hz之間，其對應(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，可以確定要進行檢測的微弱信號最優(yōu)阻尼系數(shù)為k0=k'0X(f·0/f0)=3.4 X10-10。對阻尼系數(shù)k和躍遷閾值變化進行分析，得出的固定躍遷寬度lyq=4.6，得出計算結(jié)果為a=0．06b=0.014 5。[4]通過模擬技術(shù)，對系統(tǒng)輸出的信號頻率進行整理，形成信號頻譜圖，如圖1所示。通過對頻譜圖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時系統(tǒng)輸出時頻域圖

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)視信號輸出躍遷穩(wěn)定情況。并進行記錄，得出最終檢測結(jié)果為：統(tǒng)一信號頻率處均出現(xiàn)最大信號幅值。通過其他組別的計算和分析。各組的系統(tǒng)依據(jù)各自測得的輸出信號頻譜圖，進行進行相應(yīng)的分析計算，進而可得出其對應(yīng)系統(tǒng)的躍遷過程穩(wěn)定狀態(tài)情況以及實時的信號頻率。工作人員應(yīng)對此進行記錄。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)測結(jié)果

4.5 實驗結(jié)果

采用該模式的隨機共振方式最突出特征是對阻尼系數(shù)的分析和計算。即當阻尼系數(shù)取值較小時。噪音影響下的隨機躍遷成為信號干擾的主要原因。致使在該環(huán)境喜愛進行隨機共振時，不能夠有效推動信號的方式獲取信號檢測結(jié)果。且檢測的最信號大幅值與信號實際頻率沒有聯(lián)系性。但是隨著阻尼系數(shù)的取值的增大。噪音對信號的干擾能量下降。信號推動作用更加明顯。出現(xiàn)連續(xù)性的信號躍遷。躍遷的信號幅值與信號頻率處在相同頻次。

5 結(jié)語

總之，通過本文的介紹說明了，在噪音干擾下，進行超高頻微弱信號檢測是一項復(fù)雜苦難的工作。經(jīng)過對隨機共振方式的優(yōu)化和調(diào)整。有效解決了隨機共振無法檢測超高頻微弱信號的問題。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)計算對隨機共振的影響。通過計算分析和規(guī)律總結(jié)，通過無線電微弱信號檢測案例分析。針對性提出了出檢測超高頻信號的調(diào)參等相關(guān)策略。說明了在超高頻微弱信號檢測過程中，完善和加強對線性系統(tǒng)參數(shù)的同步優(yōu)化工作，以此獲得相對較好的隨機共振效應(yīng)，進而實現(xiàn)利用隨機共振對超高頻微弱信號的實時檢測與處理工作。

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

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

[3]陳敏，胡蔦慶，秦國軍.外加信號增強隨機共振在微弱信號檢測中的應(yīng)用[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,2007,29(3):109-112.，58(8):5196-5200．