一种跨层级联随机共振微弱信号处理方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114239273A(43)申请公布日2022.03.25(21)申请号202111548151.7(22)申请日2021.12.17(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人申晓红连薇锁健王海燕马石磊(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人金凤(51)Int.Cl.G06F30/20(2020.01)G06F111/10(2020.01)权利要求书2页说明书6页附图4页(54)发明名称一种跨层级联随机共振微弱信号处理方法(57)摘要本发明提供了一种跨层级联随机共振微弱信号处理方法，利用级联随机共振系统和前馈控制的协同作用，在第一级系统输出信号处理中引入频域归一化叠加方法从而减小低频区域噪声干扰，提高微弱信号处理性能，在提高输出信噪比的同时，也保留了较完整的原始信号特征，跨层级联随机共振系统不仅有效提高了输出信噪比，改善系统性能，而且能够显著减少信号的失真情况。本发明最大程度保留了原始信号信息量，改善系统输出性能，归一化叠加方法使系统具有良好的滤波效果，能够同时滤除高频段和低频段的噪声干扰，大幅提升系统输出信噪比，对完全淹没在噪声中的特征信号亦能得到明显的增强输出，改善了基于随机共振系统的微弱信号检测性能。CN114239273ACN114239273A权利要求书1/2页1.一种跨层级联随机共振微弱信号处理方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：4层跨层级联随机共振系统的构建设计；构建4层跨层级联非线性双稳态随机共振系统模型，4层跨层级联双稳系统的朗之万方程为：式(1)中，ai，bi为第i级双稳态系统对应的参数，xi为第i级系统的输出信号，t表示时间，wi为系统的前馈传递参数，wi‑1xi‑1(t)为前一级系统通过前馈控制传递给下一级系统的输入信号；s(t)＝A0sin(2πf0t)表示输入的原始微弱信号，A0为输入信号的幅度，f0为输入信号的频率，n(t)为均值为0的白噪声；第i级系统的输入信号为wi‑1xi‑1(t)+…+w1x1(t)+s(t)+n(t)，dxi/dt指第i级系统所对应的朗之万方程，i取1，2，3，4；步骤2：设定系统参数搜索范围和初始值；系统参数a、b包括参数ai，bi，设定系统参数a、b的搜索范围分别为a∈[amin,amax]，b∈[bmin,bmax]，搜寻步长为asep和bsep，取系统参数初始值为a＝amin，b＝bmin；步骤3：系统数值求解；将系统参数a、b代入公式(2)，采用四阶龙格库塔方法计算下一个输出值：3k4＝a(xn+hk3)‑b(xn+hk3)+sn+1(2)其中h为龙戈库塔步长参数,h＝1/fs，fs表示采样频率，xn表示系统输出的第n个离散值，xn+1表示系统输出的第n+1个离散值，sn+1表示输入信号的第n+1个离散值；步骤4：系统输出全局信噪比求解与存储通过离散傅里叶变换(DFT)求解输出信号的功率谱，按照公式(3)计算信噪比：2CN114239273A权利要求书2/2页其中，N为信号采样点数，i＝1,2,…,N，Af为功率谱信号处的幅值即信号的能量,Ai为输出信号能量，代表输出信号的总能量，代表噪声的能量；将信噪比及该信噪比对应的系统参数a、b存储；步骤5：按照步骤2中所设定的系统参数a、b的搜索范围和搜索步长asep、bsep，分别改变系统参数a、b，执行步骤3到步骤4，直到系统参数a、b均达到搜索范围上限；步骤6：将步骤5存储的最大信噪比作为最优值，并提取该最大信噪比所对应的系统参数ai、bi作为最优系统参数aopt、bopt；步骤7：将步骤6获取的最优系统参数aopt、bopt代入步骤1所述的第一级跨层级联随机共振系统中求解输出，获得时域波形明显的输出信号并存储；步骤8：将步骤7得到的输出信号和原始含噪信号s(t)+n(t)分别利用傅里叶变换转换到频域特征，得到频域信号y1，并按照式(4)进行归一化叠加；其中，ys0表示原始含噪信号在采样频率处对应的信号幅值，y11表示系统输出信号的频域特征,y10表示步骤7得到的系统输出信号在采样频率处对应的信号幅值；将叠加后的信号用反傅里叶变换转化到时域特征，得到时域信号x0，再次进行步骤2到步骤7，得到输出信号x1并存储；步骤9：设定前馈结构参数搜索范围和初始值设定前馈结构参数W的搜索范围为W∈[Wmin,Wmax]；搜寻步长为asep、bsep和Wsep；步骤10：按照步骤9中所设定的前馈结构参数W的搜索范围和搜索步长Wsep，改变前馈结构参数W，并执行步骤2到步骤4，直到前馈结构参数W达到搜索范围上限；步骤11：将步骤10中存储的信噪比中选取信噪比最大值作为信噪比最优值，并提取对应的系统