超高頻微弱信號檢測中調參隨機共振的應用研究

彭敏玲(淮安生物工程高等職業學校，江蘇 淮安 223200)

超高頻微弱信號檢測中調參隨機共振的應用研究

彭敏玲(淮安生物工程高等職業學校，江蘇 淮安 223200)

隨機共振能夠檢測到微弱信號，對于工業領域應用來說該技術有極高的應用價值。但是由于工業現場有較大的噪音和許多未知超高頻微弱信號的存在，傳統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，提出了一種調參隨機共振檢測微弱信號方法。通過對雙穩系統阻尼系數的計算變化及影響分析，總結規律，并基于此規律提出了實現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；應用

無線電電磁環境的復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和分析。業內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容[1]。當前應用廣泛的信號檢測技術和方法主要有：時域相關法、三重相關匹配分析法、取樣積分分析法以及相關參數檢測法等等。上述技術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果。但是當前隨機共振在檢測大參數超高頻的微弱信號時，結果通常是失敗的。

1 隨機共振原理概述

1.1 雙穩系統隨機共振

在非線性系統中，雙穩系統是研究隨機共振最常用的系統之一。雙穩系統受微弱信號和噪聲的驅動。該系統動力學模型公式為

在該公式中a和d分別屬于系統中的參數，兩個參數都大于0。其中U(x）為雙穩系統的統式函數。Δu=a2/4b是系統勢壘高度，x為系統輸出，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 隨機共振的參數補償計算方式

當需要測量超高頻微弱信號時，非線性系統就可起到檢測作用。在系統運行時，隨機共振的參數需要重新設置，進行合理參數補償，以提升信號準確性。對信號可實行隨機共振檢測。設S(t)=Asin(2πft).將假設式帶入公式1中。得出以下結論

通過上述公式可以得出結論為：當需要檢測的微弱信號在雙穩系統運行的情況下進行檢測時，信號的幅值A會與原信號產生較大差別。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。針對這一現象可采取參數放大的措施，使K值能夠抵消相關檢測影響。

該公式中的K即為上文提到的參數補償值。當K取值為2πf時，雙穩系統測量的信號幅值變化不變，提高了測量精準性。因此，隨機共振雙穩系統必須要保持K值在此范圍之內，保持其他參數不變。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用性就必須對現有隨機共振進行優化。在信號檢測中，噪音等外在因素無法改變，但可通過改變吸引子曲線保證系統有效顯示出信號狀態的變遷和信號的特征。吸引子曲線能夠通過參數展示，實現隨機共振的最優化的噪音、信號輸出比值。實現參數的合理匹配。在具體方案上，可以調節阻尼系數K，完成對超高頻微弱信號的檢測工作。

2.1 調節阻尼參數

可以基于對白噪聲信息處理模式，列出隨機共振系統的公式為：

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 t=rt為 x（t）+x（rt）。可列出一下公式：

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與預設值相同，只需要改變頻率和時間以及阻尼系數，在頻域中的計算，要將整個頻率范圍上設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 優化參數計算

從優化的速率公式為作為參數計算的開始，以此為基礎探討阻尼系數變化對系統產生隨機共振的影響。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，通過函數計算與逃逸速率的計算，可以測得該系統發生隨機共振時，系統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化為λf0時，這時的隨機共振就要依據a槡2πkexp(－a24b D)=2λf0(13)等計算數值進行操作。這里需要注意的是，必須保持系統參數a和b保持不變，而且阻尼系數k還要為原來1/λ倍，進而可得出具體量化關系?？蓞⒖既绫?內容。根據表1的具體參照值，就可以根據待檢信號的頻率選取合適的阻尼系數，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，反之，則應將阻尼系數也可以相應的增大。一切取決于信號頻率大小。

表1 阻尼系數與待檢信號頻率對照表

3 高頻信號檢測中調參隨機共振的應用策略

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，阻尼系數的取值應該偏低。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。同時通過優化系統參數計算能夠對隨機共振產生良好作用。所以。工作人員在對高超高頻微弱信號檢測時。

通過重點調節阻尼系數和系統參數能夠實現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線性系統處理的信號頻率都存在較大的變數。很容易在信號、噪音輸出后產生變形。影響信號檢測質量，且無法具體獲取信號變化周期性規律。

在應用過程中，可提前預測檢測信號頻率范圍。根據頻率規律，進行阻尼系數的合理最優取值。再通過阻尼系數對系統的進行檢測范圍調整。通過信號頻譜度信息，選取躍遷閾值范圍，根據具體的取值規律，進行規律性的計算和取值。以此得出信號相匹配對應的阻尼系數。如果信號發生躍遷的情況。就要將信號頻譜圖中的信號幅值以及其對應的信號頻率做好記錄和分析。如果沒有產生躍遷，就可以繼續在閾值范圍取值。

4 超高頻無線電微弱信號檢測案例分析

4.1 設備調試

檢測計算機能夠使用軟件外聯的方式，實現與射頻的相互連接。這樣能夠確保無線電信號發射和接收能夠正常運轉。而且能基于此項操作完成多數據模塊轉換、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

使用信號發射器發射正弦信號（沒有經過調制），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據進行上傳。放到商業數學軟件（Matlab）中進行相關計算和分析。經過計算分析后。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估和假設。確保信號頻率為0.1—0.2Hz之間，其對應的最優匹配的阻尼系數為k'0=0．86，根據阻尼系數調整方案，可以確定要進行檢測的微弱信號最優阻尼系數為k0=k'0X(f·0/f0)=3.4 X10-10。對阻尼系數k和躍遷閾值變化進行分析，得出的固定躍遷寬度lyq=4.6，得出計算結果為a=0．06b=0.014 5。[4]通過模擬技術，對系統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，可以發現在450MHz處有明顯的峰值。

圖1 躍遷閾值為0.0145時系統輸出時頻域圖

4.4 阻尼系數取值

阻尼系數的取值范圍應為[1.5×11-10，3.1× 1010]，在通過間隔選取值進行取值調整。根據取值結構可調節躍遷閾值范圍[0.015，0.4]，以間隔0.02的方式監視信號輸出躍遷穩定情況。并進行記錄，得出最終檢測結果為：統一信號頻率處均出現最大信號幅值。通過其他組別的計算和分析。各組的系統依據各自測得的輸出信號頻譜圖，進行進行相應的分析計算，進而可得出其對應系統的躍遷過程穩定狀態情況以及實時的信號頻率。工作人員應對此進行記錄。具體情況如表2所示。

表2 調增躍遷值和阻尼系數取值監測結果

4.5 實驗結果

采用該模式的隨機共振方式最突出特征是對阻尼系數的分析和計算。即當阻尼系數取值較小時。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果。且檢測的最信號大幅值與信號實際頻率沒有聯系性。但是隨著阻尼系數的取值的增大。噪音對信號的干擾能量下降。信號推動作用更加明顯。出現連續性的信號躍遷。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雜苦難的工作。經過對隨機共振方式的優化和調整。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。提出了阻尼系數取值和系統參數計算對隨機共振的影響。通過計算分析和規律總結，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參等相關策略。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參數的同步優化工作，以此獲得相對較好的隨機共振效應，進而實現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.調參隨機共振在超高頻微弱信號檢測中的應用計算機應用[J].2016,36(9):2374－2380.

[2]焦尚彬,寇潔,張青.基于DSP的自適應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用[J].國防科技大學學報,2007,29(3):109-112.，58(8):5196-5200．