本發(fā)明屬于信號(hào)傳感和傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于時(shí)域編解碼的高精度動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感和傳輸方法。

背景技術(shù)：

高效精準(zhǔn)傳感或傳輸動(dòng)態(tài)信號(hào)，尤其是生理時(shí)間序列信號(hào)和尖峰時(shí)間序列信號(hào)，可望在大腦及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理、脈沖雷達(dá)、通訊領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。在其他領(lǐng)域，比如生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制中，也有如何保證尖峰時(shí)間序列信號(hào)在互相傳遞和輸送過程不失真的問題。

減小系統(tǒng)誤差是大幅提高傳感和傳輸精準(zhǔn)度的關(guān)鍵。非線性脈沖動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感通常使用靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合、時(shí)域方法測定動(dòng)態(tài)特性辨識(shí)動(dòng)態(tài)特性曲線等方式，它們可以降低多種偶然性造成的隨機(jī)誤差或反常誤差。然而，作為動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償?shù)念l率域修正法、數(shù)值微分法、疊加積分法未考慮誤差對(duì)處理結(jié)果的穩(wěn)定性。反卷積補(bǔ)償法、單參數(shù)濾波法、多參數(shù)模型反濾波法不能采用遞歸實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算量極大?；诨⒖硕傻木€性彈性動(dòng)力系統(tǒng)或多項(xiàng)式非線性響應(yīng)系統(tǒng)，不適合外界擾動(dòng)尤其較大擾補(bǔ)償動(dòng)的情形。hammerstein模型采用靜態(tài)非線性模塊和動(dòng)態(tài)線性模塊串聯(lián)降低了問題的復(fù)雜性，非線性部分辨識(shí)問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間上的函數(shù)優(yōu)化問題，或通過接口送入計(jì)算機(jī)由軟件系統(tǒng)辨識(shí)得到動(dòng)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。但是這些方法帶來的系統(tǒng)誤差需要大量計(jì)算或優(yōu)異功能的特殊材料來補(bǔ)償，所以難以兼顧準(zhǔn)確、快速、高精度且成本低廉的要求。

近年神經(jīng)科學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)、及時(shí)間序列分析的進(jìn)步使時(shí)域編解碼生理信號(hào)和尖峰脈沖信號(hào)成為可能。一類將牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律用于非線性隨機(jī)彈性系統(tǒng)導(dǎo)出的非線性自回歸整合(nlari)過程，可以被特定為如下時(shí)間序列模型：

其中

在那里ω代表外部擾動(dòng)的期待值，vt代表外部擾動(dòng)的方差為σ²的高斯白噪音；α＞0是阻力系數(shù)，β＞0是恢復(fù)力系數(shù)，γ＞0是相對(duì)恢復(fù)力系數(shù)，κ1和κ2分別為阻力和恢復(fù)力的時(shí)間延遲；-xexp(x^-2)是一個(gè)恢復(fù)力項(xiàng)g(x)?？紤]κ1＝κ2＝1，已經(jīng)證明μt＝x0+(ω/α)t。讓yt＝xt-μt，方程(1)可以改寫為如下方程：

(2)當(dāng)σ＝0或vt＝0，方程(2)為確定性系統(tǒng)

yt＝(1+θ1)yt-1-θ1yt-2+θ2[-yt-1exp(-y²t-1)](3)

已經(jīng)證明它的穩(wěn)定性和波動(dòng)型決于相對(duì)恢復(fù)力系數(shù)γ：當(dāng)0＜γ＜1，該系統(tǒng)是一個(gè)漸近穩(wěn)定的零不動(dòng)點(diǎn)所謂不動(dòng)點(diǎn)指yt＝y(tǒng)t-1＝…＝y(tǒng)0；當(dāng)該系統(tǒng)是一個(gè)漸近穩(wěn)定周期環(huán)當(dāng)這個(gè)周期環(huán)喪失穩(wěn)定性。

現(xiàn)有動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感和傳輸中存在尖峰脈沖信號(hào)在互相傳遞和輸送過程失真的問題以及系統(tǒng)誤差需要大量計(jì)算或優(yōu)異功能的特殊材料來補(bǔ)償，難以兼顧準(zhǔn)確、快速、高精度且成本低廉的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于時(shí)域編解碼的高精度動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感和傳輸方法。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于時(shí)域編解碼的高精度動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感和傳輸方法，所述基于時(shí)域編解碼的高精度動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感和傳輸方法使用非線性自回歸整合nlari過程建模彈性傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過選取滿足nlari模型的穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)條件的傳感材料使傳感器功能相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)定的不動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)，不動(dòng)點(diǎn)指它的確定系統(tǒng)方程(3)在時(shí)間t的值yt始終等于初值即yt＝y(tǒng)0，這意味著初值為零即y0＝0以及隨機(jī)誤差為零時(shí)，nlari系統(tǒng)的響應(yīng)輸出yt等于外生輸入vt即yt＝vt，通常情況下vt包括了輸入信號(hào)和隨機(jī)誤差；通過模擬神經(jīng)元的動(dòng)作電壓全有全無和反向傳播及局部電位可疊加的調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)入調(diào)幅逆向脈沖傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu)；以及輸入輸出相似度(或均方誤差等)和信號(hào)傳輸成功率的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)一步，穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)域上的傳遞函數(shù)包括：

yt＝f(vt)：yi-1，t＝(2-α)yi-1，t-1-(1-α)yi-1，t-2+βg(yi-1，t-1)+vi-1，t；

以及逆向脈沖傳遞函數(shù)vt＝f^-1(yt)：作為無調(diào)幅vi，t＝y(tǒng)i-1，t和作為調(diào)幅作為i＝1，2，…，q。

進(jìn)一步，所述的傳遞函數(shù)yt＝f(vt)，包括有界且滿足g(-x)＝-g(x)和xg(x)＜0的恢復(fù)力項(xiàng)g(x)，阻力系數(shù)0＜α＜2，恢復(fù)力系數(shù)β＞0以及相對(duì)恢復(fù)力系數(shù)

所述的傳遞函數(shù)yt＝f(vt)和逆向傳遞函數(shù)vt＝f^-1(yt)，包括輸入信號(hào)vi，t，響應(yīng)輸出yi，t，yi，t的一階滯后值yi，t-1，yi，t的二階滯后值yi，t-2，初始值yi，-1＝0，yi，0＝0，v1，t＝c1如果vt≥c1否則vt是原始輸入信號(hào)，是具有小方差的白噪音，閥值0＜c3＜c2＜c1，i＝1，2，…，q表示傳輸中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)及t＝1，2，…，n表示時(shí)間或信號(hào)數(shù)；

進(jìn)一步，輸出輸入相似度和信號(hào)傳輸成功率作為傳感和傳輸?shù)脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，信號(hào)傳輸成功率作為尖峰脈沖信號(hào)傳輸?shù)脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中wq＝(wq，1，…，wq，n)′為經(jīng)過q次中繼節(jié)點(diǎn)后的輸出信號(hào)，w0＝(w0，1，…，w0，n)′為初始輸入信號(hào)，w0，t＝1如果vt≥c3否則w0，t＝0，wq，t＝1如果yq，t≥c3否則wq，t＝0，vt是原始輸入信號(hào)，當(dāng)q＝1，信號(hào)傳輸成功率為信號(hào)傳感成功率。

進(jìn)一步，所述的傳感方法，具體的實(shí)現(xiàn)步驟包括：

選取能夠代表被測量信號(hào)特征的時(shí)間序列作為輸入信號(hào)v＝(v1，…，vn)′，在計(jì)算機(jī)上求出參數(shù)仿真域，它位于參數(shù)域(0，2)作為α，(0，4)作為β，及(0，1)作為γ的某一區(qū)域，在那里nlari穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的輸出y＝(y1，…，yn)′和輸入v有最大相似度或信號(hào)傳感成功率；

選取壓電材料j＝1，…，m制作m個(gè)nlari-傳感器樣品，輸入信號(hào)v＝(v1，…，vn)′到所述傳感器樣品，測出響應(yīng)輸出讓?duì)膟t＝y(tǒng)t-yt-1，使用對(duì)回歸方程δyt＝θ1，jδyt-1+θ2，jg(yt-1)+vt作最小2乘法估計(jì)，獲得估計(jì)值以及和

如果在仿真參數(shù)域內(nèi)，計(jì)算輸出輸入相似度或信號(hào)傳感成功率，選取具有最大相似度或傳感成功率的傳感器樣品為nlari-傳感器，否則不作為nlari-傳感器樣本。

進(jìn)一步，傳輸方法，包括計(jì)算機(jī)傳輸，nlari-傳感器對(duì)接收到的輸入信號(hào)作出響應(yīng)輸出，所述的響應(yīng)輸出經(jīng)數(shù)據(jù)化后通過接口送入計(jì)算機(jī)完成傳輸；還包括nlari-傳感器傳輸，其具體的實(shí)現(xiàn)步驟包括：

步驟一，制作信號(hào)傳感成功率最大的前p個(gè)nlari(α^(k)，β^(k))-傳感器樣本作為k＝1，…，p，使用軟件或硬件制作具有的調(diào)幅逆向脈沖傳遞函數(shù)功能的調(diào)幅器樣本，對(duì)由nlari(α^(k)，β^(k))-傳感器樣本的輸出作為調(diào)幅器樣本的輸入的串聯(lián)系統(tǒng)，計(jì)算輸出v2，t與輸入v1，t的信號(hào)傳感成功率，通過調(diào)節(jié)閾值c1，c2，c3選取具有最大的信號(hào)傳感成功率的調(diào)幅器樣品作為神經(jīng)元-調(diào)幅器樣品，與nlari(α^(k)，β^(k))-傳感器樣本合成為q個(gè)相同的nlari(α^(k)，β^(k))-傳輸器樣本；

步驟二，讓能夠代表被測量信號(hào)特征的時(shí)間序列信號(hào)作為原始輸入信號(hào)vt進(jìn)入由q個(gè)相同nlari(α^(k)，β^(k))-傳輸器樣品按前一個(gè)的輸出為后一個(gè)輸入的方式串聯(lián)的傳輸系統(tǒng)，測量它由vt引起的最終輸出；

步驟三，計(jì)算每次信號(hào)傳輸成功率，重復(fù)步驟二，計(jì)算信號(hào)平均信號(hào)傳輸成功率；

步驟四，選取具有最大平均信號(hào)傳輸成功率的nlari(α^(k)，β^(k))-傳輸器樣本對(duì)k＝1，…，p作為nlari-傳輸器。

進(jìn)一步，傳輸方法的步驟二，讓能夠代表被測量信號(hào)特征的時(shí)間序列信號(hào)作為原始輸入信號(hào)vt進(jìn)入由q個(gè)相同nlari(α^(k)，β^(k))-傳輸器樣品按前一個(gè)的輸出為后一個(gè)輸入的方式串聯(lián)的傳輸系統(tǒng)，測量它由vt引起的最終輸出，具體包括：

選取能夠代表被測量信號(hào)特征的時(shí)間序列作為輸入信號(hào)vt，在計(jì)算機(jī)上仿真求出參數(shù)仿真域，它在參數(shù)域(0，2)作為α，(0，4)作為β和(0，1)作為γ域內(nèi)，在那里nlari穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)yt＝f(vt|α，β，γ)的輸出y＝(y1，…，yn)′和輸入v＝(v1，…，vn)′有最大的傳感成功率(尖峰脈沖輸入)或相似度(非尖峰脈沖輸入)讓j＝1；

使用壓電材料j＝1，…，m制作m個(gè)傳感器樣品；

輸入信號(hào)vt到每個(gè)傳感器樣品中，測出響應(yīng)

對(duì)δyt＝θ1，jδyt-1+θ2，jg(yt-1)+vt，使用數(shù)據(jù)作最小2乘法估計(jì)在那里δyt＝y(tǒng)t-yt-1，進(jìn)一步獲得作為j＝1，…，m；

如果參數(shù)估計(jì)值不在仿真參數(shù)域內(nèi)，該樣本不作為nlari-傳感器樣本，否則計(jì)算響應(yīng)輸出與輸入v的相似度或者信號(hào)傳感成功率(j＝1，…，m)。

按照本發(fā)明提出的技術(shù)方案制作的nlari-傳感器具有一個(gè)穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)功能，就是說如果系統(tǒng)初值和隨機(jī)誤差都為零的話，nlari-傳感器的響應(yīng)輸出yt等于信號(hào)輸入vt即yt＝vt。所以在理論上nlari-傳感器響應(yīng)輸出與信號(hào)輸入之間只有隨機(jī)誤差，沒有確定性結(jié)構(gòu)意義上的系統(tǒng)誤差。這樣制作的傳感器帶來的益處是顯而易見的，即只要消除隨機(jī)誤差就可完成信號(hào)重構(gòu)。仿真顯示nlari-傳感器的精度比目前新型的時(shí)刪傳感器在經(jīng)過動(dòng)態(tài)測量誤差補(bǔ)償后的精度高出很多(詳細(xì)情形將在具體實(shí)施方式一節(jié)里描述)。本發(fā)明受到大腦神經(jīng)元傳輸信號(hào)的相關(guān)功能的啟迪，建立起調(diào)幅逆向脈沖傳遞函數(shù)用以消除隨機(jī)誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)來自nlari-傳感器的響應(yīng)信號(hào)重構(gòu)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的nlari-傳輸器仿真三千次尖峰序列信號(hào)中繼，重復(fù)一萬次的平均信號(hào)傳輸成功率在穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)的某些域內(nèi)可以達(dá)到98％以上的水平，說明nlari-傳感器具有可靠而精確快速的傳輸性能。由于本發(fā)明在理論上確保了多數(shù)情形下沒有確定性結(jié)構(gòu)意義上的系統(tǒng)誤差，所以無須進(jìn)行頻率分析或優(yōu)化計(jì)算等繁瑣復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償。而且本發(fā)明在時(shí)域上編解碼，因此簡單直觀，并兼有準(zhǔn)確可靠、速度快、精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的用nlari-傳感器在不調(diào)節(jié)和全有全無調(diào)節(jié)下經(jīng)多次傳輸信號(hào)失真的仿真例；

圖2是是本發(fā)明實(shí)施例提供的的nlari-傳感器的設(shè)計(jì)框圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的圖2所述的nlari-傳感器對(duì)臨床異常心率的傳感仿真例圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的圖2所述的nlari-傳感器對(duì)臨床正常與異常心率的傳感仿真例圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的針對(duì)尖峰脈沖時(shí)間序列信號(hào)的nlari-傳輸器的設(shè)計(jì)框圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的圖5所述的nlari-傳輸器的傳輸整體效果分步效果及平均傳輸成功率的仿真例圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的圖5所述的nlari-傳輸器對(duì)興奮性神經(jīng)元被藥物抑制后發(fā)射和興奮性神經(jīng)元發(fā)射的尖峰脈沖序列信號(hào)的傳輸仿真例圖。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的傳感技術(shù)與現(xiàn)有傳感技術(shù)精度比較的一個(gè)例子。

圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于時(shí)域編解碼的高精度動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感和傳輸方法的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于時(shí)域編解碼的高精度動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感和傳輸方法，使用非線性自回歸整合nlari過程建模具有隨機(jī)彈性的傳感材料的，穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)域上的nlari傳感模型相當(dāng)于一個(gè)傳遞函數(shù)；通過模擬神經(jīng)元的動(dòng)作電壓全有全無和反向傳播及局部電位可疊加的調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)入調(diào)幅逆向脈沖傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu)；以及輸出入相似度和信號(hào)傳輸成功率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)域上的傳遞函數(shù)包括：

yt＝f(vt)：yi-1，t＝(2-α)yi-1，t-1-(1-α)yi-1，t-2+βg(yi-1，t-1)+vi-1，t；

以及逆向脈沖傳遞函數(shù)vt＝f^-1(yt)：作為無調(diào)幅vi，t＝y(tǒng)i-1，t和作為調(diào)幅作為i＝1，2，…，q。

所述的傳遞函數(shù)yt＝f(vt)，包括有界且滿足g(-x)＝-g(x)和xg(x)＜0的恢復(fù)力項(xiàng)g(x)，阻力系數(shù)0＜α＜2，恢復(fù)力系數(shù)β＞0以及相對(duì)恢復(fù)力系數(shù)0＜γ＝β/(4-2α)＜1；

所述的傳遞函數(shù)yt＝f(vt)和逆向傳遞函數(shù)vt＝f^-1(yt)，包括輸入信號(hào)vi，t，響應(yīng)輸出yi，t，yi，t的一階滯后值yi，t-1，yi，t的二階滯后值yi，t-2，初始值yi，-1＝0，yi，0＝0，v1，t＝c1如果vt≥c1否則vt是原始輸入信號(hào)，是具有小方差的白噪音，閥值0＜c3＜c2＜c1，i＝1，2，…，q表示傳輸中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)及t＝1，2，…，n表示時(shí)間或信號(hào)數(shù)；

相似度或輸出輸入誤差的標(biāo)準(zhǔn)差作為傳感和傳輸?shù)脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，信號(hào)傳感成功率作為尖峰脈沖信號(hào)傳輸?shù)脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中wq＝(wq，1，…，wq，n)′為經(jīng)過q次中繼節(jié)點(diǎn)后的輸出信號(hào)，w0＝(w0，1，…，w0，n)′為初始輸入信號(hào)，w0，t＝1如果vt≥c3否則w0，t＝0，wq，t＝1如果yq，t≥c3否則wq，t＝0，vt是原始輸入信號(hào)，當(dāng)q＞1，信號(hào)傳感成功率稱為信號(hào)傳輸成功率，數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的誤碼率作為信號(hào)傳輸成功率。

所述的傳感方法，具體的實(shí)現(xiàn)步驟包括：

選取能夠代表被測量信號(hào)特征的時(shí)間序列作為輸入信號(hào)v＝(v1，…，vn)′，在計(jì)算機(jī)上求出參數(shù)仿真域，它位于參數(shù)域(0，2)作為α，(0，4)作為β，及(0，1)作為γ的某一區(qū)域，在那里nlari穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的輸出y＝(y1，…，yn)′和輸入v有最大相似度或信號(hào)傳感成功率；

選取壓電材料j＝1，…，m制作m個(gè)nlari-傳感器樣品，輸入信號(hào)v＝(v1，…，vn)′到所述傳感器樣品，測出響應(yīng)輸出讓?duì)膟t＝y(tǒng)t-yt-1，使用對(duì)回歸方程δyt＝θ1，jδyt-1+θ2，jg(yt-1)+vt作最小2乘法估計(jì)，獲得估計(jì)值以及和

如果在仿真參數(shù)域內(nèi)，計(jì)算輸出輸入相似度或信號(hào)傳感成功率，選取具有最大相似度或傳感成功率的傳感器樣品為nlari-傳感器，否則不作為nlari-傳感器樣本。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)描述。

本發(fā)明公開一種時(shí)域編解碼的高精度動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感和傳輸方法，它是基于一個(gè)非拉普拉斯變換的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)傳遞函數(shù)來描述彈性傳感器的輸入與輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，以及一個(gè)受神經(jīng)元傳輸信號(hào)功能啟發(fā)的調(diào)幅逆向脈沖傳遞函數(shù)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu)。nlari的確定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是局部漸進(jìn)穩(wěn)定性，盡管不是全局漸進(jìn)穩(wěn)定，然而這種穩(wěn)定性能夠滿足大多數(shù)生物信號(hào)和尖峰脈沖信號(hào)的無失真?zhèn)鞲泻蛡鬏敚绕渫ㄟ^數(shù)據(jù)縮小化處理后，效果會(huì)更好。本發(fā)明通過蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)nlari穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)的產(chǎn)出并不拘泥于恢復(fù)力項(xiàng)g(x)在結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)，只要滿足在x軸上有界，并且xg(x)＜0和g(-x)＝-g(x)，更為簡單的函數(shù)可以替代-x/exp(x²)。

因此，本發(fā)明導(dǎo)入nlari穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)：

yt＝f(vt)：yt＝(2-α)yt-1-(1-α)yt-2+βg(yt-1)+vt

其中，vt代表輸入信號(hào)，yt代表傳遞函數(shù)的輸出，yt-1是yt的一階滯后值，yt-2是yt的二階滯后值，由于yt＝xt-x0-(ω/α)t，所以yt表示信號(hào)與平均水平或均衡狀態(tài)的偏離，阻力系數(shù)0＜α＜2，恢復(fù)力系數(shù)β＞0，相對(duì)恢復(fù)系數(shù)γ＝β/(4-2α)∈(0，1)及κ1＝κ2＝1。

本發(fā)明提出nlari-傳感器的設(shè)計(jì)方法基于使用nlari過程建模彈性傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。比如壓電材料在受到外機(jī)械力作用下會(huì)發(fā)生電極化，壓電體兩端表面內(nèi)將出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。當(dāng)外力撤去后，它又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變。受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。反之，壓電材料在受到外電場作用下會(huì)發(fā)生形變，形變量與外電場強(qiáng)度成正比，表現(xiàn)出與正壓電效應(yīng)類似的現(xiàn)象，不同的是從電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，壓電陶瓷就具有這種機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能。由此可見，壓電材料的正電效應(yīng)和逆電效應(yīng)在功能上表現(xiàn)為一個(gè)彈性系統(tǒng)，這樣制成的傳感器功能可以由nlari模型描述。如果選取壓電材料的阻力系數(shù)α和恢復(fù)力系數(shù)β位于nlari的穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)域0＜γ＜1內(nèi)的，這種傳感器的輸出輸入間的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系就可以通過穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)上的nlari模型描述，稱為nlari穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)，其中α，β和γ稱為傳感功能參數(shù)?？紤]由m個(gè)nlari-傳感器樣本作為中繼節(jié)點(diǎn)，按上一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出是下一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸入的串聯(lián)方式作信號(hào)傳遞，動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系可描述為yi，t＝(2-α)yi，t-1-(1-β)yi，t-2+βg(yi，t-1)+yi-1，t，i表示中繼次數(shù)(i＝1，2，…，q)和t表示信號(hào)數(shù)(t＝1，2，…，n)。

本發(fā)明者注意到在不調(diào)節(jié)和全有全無調(diào)節(jié)下，經(jīng)由nlari-傳感器樣本多次作用后，尖峰脈沖輸入信號(hào)會(huì)發(fā)生丟失或歪曲。

如圖1所示，初始輸入信號(hào)序列(如圖1的101所示)，經(jīng)過3次(如圖1的102所示)、10次(如圖1的103所示)和17次(如圖1的104所示)nlari-傳感器的信號(hào)中繼仿真后，信號(hào)基本上保真，但在經(jīng)過18次信號(hào)中繼仿真后信號(hào)完全被歪曲(如圖1的105所示)，即使經(jīng)過全有或全無律調(diào)節(jié)，在經(jīng)過3次(如圖1的106所示)、10次(如圖1的107所示)和17次(如圖1的108所示)和18次(如圖1的109)nlari-傳感器的信號(hào)中繼仿真后，信號(hào)也被丟失。

本發(fā)明使用神經(jīng)科學(xué)的知識(shí)來糾正這種信號(hào)失真。來自外界的信息被編碼成為神經(jīng)狀態(tài)時(shí)，相關(guān)的神經(jīng)狀態(tài)可能反映了神經(jīng)元的解碼活動(dòng)。比如電壓門控離子通道開放產(chǎn)生的電流要比刺激輸入的電流大；電壓刺激隨著突觸距離和神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合時(shí)間的增大呈指數(shù)性衰減；受到刺激產(chǎn)生興奮的軸突與周圍靜息膜之間的局部電流向兩個(gè)方向傳導(dǎo)(被稱之為動(dòng)作電位的雙向傳導(dǎo))，產(chǎn)生于軸突或胞體的動(dòng)作電壓向樹突叢逆向回傳的傳播程度隨著動(dòng)作電位的數(shù)量和頻率的增加而增加，大小取決于閾下興奮性輸入。動(dòng)作電位反向傳播活性可能促進(jìn)先前冗余電流補(bǔ)充當(dāng)前被衰減的電壓刺激，旨在讓信號(hào)復(fù)原。局部電位的可疊加性使動(dòng)作電位的反向傳播功能得以實(shí)現(xiàn)?？梢钥偨Y(jié)如下：動(dòng)作電位的反向傳播活性和全有全無律、以及局部電位的可疊加性暗示了神經(jīng)元可能具有功能(i)高于閾值的任何強(qiáng)度對(duì)刺激神經(jīng)元響應(yīng)是相同的；(ii)沒有達(dá)到閾值的神經(jīng)元不會(huì)點(diǎn)火；(iii)先前冗余電流的回流補(bǔ)充當(dāng)前衰減的信號(hào)電流以促使信號(hào)重構(gòu)。功能(i)源于生物的有效性和節(jié)能性；功能(ii)防止噪音混入信號(hào)，功能(iii)避免信號(hào)衰減。因此，針對(duì)尖峰脈沖信號(hào)重構(gòu)，導(dǎo)入逆向脈沖傳遞函數(shù)vt＝f^-1(yt)：作為少數(shù)幾個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸，它可以是無調(diào)節(jié)函數(shù)f^-1＝i，即vi，t＝y(tǒng)i-1，t，初始值yi，-1＝y(tǒng)i，0＝0及y0，t＝vt；作為有很多中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸：vt＝f^-1(yt)為如下調(diào)幅逆向脈沖傳遞函數(shù)

其中yi-1，t＝(2-α)yi-1，t-1-(1-α)yi-1，t-2+βg(yi-1，t-1)+vt-1，t，閥值0＜c3＜c2＜c1，初始值yi，-1＝y(tǒng)i，0＝0，v1，t＝c1如果vt≥c1否則vi是初始信號(hào)輸入和是一個(gè)具有一個(gè)小的方差的白噪音。稱具有方程(4)功能的調(diào)幅器為神經(jīng)元-調(diào)幅器，它與nlari-傳感器構(gòu)成nlari-傳輸器。注意到與傳統(tǒng)常用的單個(gè)激勵(lì)函數(shù)或激勵(lì)信號(hào)不同，本發(fā)明采用脈沖時(shí)間序列或信號(hào)時(shí)間序列{vt|t＝1，…，n}為激勵(lì)信號(hào)。將模擬信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的均方誤差的倒數(shù)或者動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整(dtw)等作為相似度來評(píng)價(jià)傳感效果，采用信號(hào)傳輸成功率評(píng)價(jià)傳感和傳輸效果，以區(qū)別通常數(shù)據(jù)傳輸使用的誤差率。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。

本發(fā)明提出的nlari-傳感器可按如下具體步驟實(shí)現(xiàn)：

第一步選取能夠代表被測量信號(hào)特征的時(shí)間序列作為輸入信號(hào)vt，在計(jì)算機(jī)上仿真求出參數(shù)仿真域，它在參數(shù)域(0，2)作為α，(0，4)作為β和(0，1)作為γ域內(nèi)，在那里nlari穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)yt＝f(vt|α，β，γ)的輸出y＝(y1，…，yn)′和輸入v＝(v1，…，vn)′有最大的傳感成功率(尖峰脈沖輸入)或相似度(非尖峰脈沖輸入)(如圖2的201所示)。讓j＝1；

第二步使用壓電材料j＝1，…，m制作m個(gè)傳感器樣品(如圖2的202所示)；

第三步輸入信號(hào)vt到每個(gè)傳感器樣品中，測出響應(yīng)(圖2的203)，

對(duì)δyt＝θ1，jδyt-1+θ2，jg(yt-1)+vt(5)

使用數(shù)據(jù)作最小2乘法估計(jì)在那里δyt＝y(tǒng)t-yt-1，進(jìn)一步獲得

作為j＝1，…，m(如圖2的204所示)；

第四步如果參數(shù)估計(jì)值不在仿真參數(shù)域內(nèi)，該樣本不作為nlari-傳感器樣本(如圖2的205所示)，否則計(jì)算響應(yīng)輸出與輸入v的相似度或者信號(hào)傳感成功率(j＝1，…，m)(如圖2的206所示)；

第五步選擇具有最大輸出輸入相似度或信號(hào)傳感成功率的傳感器樣品作為nlari-傳感器(如圖2的207)。

圖3顯示了臨床異常心率hrv序列作為信號(hào)輸入(301、303、305)和它們經(jīng)由nlari-傳感器的仿真輸出(302、304、306)，仿真輸出與輸入的心率hrv展示了很高的相似度。圖4顯示了較高頻率的正常與臨床異常心率hrv序列作為輸入信號(hào)(401、403、405)，類似地，這些心率信號(hào)輸入與它們的nlari-傳感器的仿真輸出(402、404、406)有很高相似度。圖3和圖4的仿真基于具有α＝1.1159、β＝0.7625、γ＝0.4312的傳遞函數(shù)，包括本發(fā)明申請(qǐng)書中所有仿真例都是基于g(x)＝-x/(1+x⁴)的穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)。

本發(fā)明提出兩個(gè)方案實(shí)現(xiàn)尖峰脈沖信號(hào)傳輸，方案1是nlari-傳感器的輸出被數(shù)據(jù)化后通過接口送入計(jì)算機(jī)(圖5的501)，由計(jì)算機(jī)完成信號(hào)傳輸(圖5的502)。

方案2是nlari-傳輸器方法，結(jié)合附圖5-8說明它的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步基于傳感功能參數(shù)α^(k)和β^(k)，制作信號(hào)傳感成功率最大的前p個(gè)傳感器樣品，記為nlari(α^(k)，β^(k))-傳感器樣本，簡稱nlari-傳感樣品(k＝1，…，p)(如圖5的503所示)，讓k＝1；

第二步考慮q個(gè)相同的nlari(α^(k)，β^(k))-傳感器樣本，通過軟件或硬件制作具有功能的調(diào)幅器樣本，其中yi-1，t由nlari(α^(k)，β^(k))-傳感器樣本實(shí)現(xiàn)，即

yi-1，t＝(2-α)yi-1，t-1-(1-α)yi-1，t-2+βg(yi-1，t-1)+vi-1，t

其中，vi-1，t和yi-1，t分別表示經(jīng)第i-1個(gè)nlari(α^(k)，β^(k))-傳感器樣本的輸入和輸出的第t個(gè)信號(hào)，初始值yi，-1＝y(tǒng)i，0＝0，v1，t＝c1如果vt≥c1否則vt是初始信號(hào)輸入，是一個(gè)具有小方差的白噪音(i＝1，…，q)。考慮代表被測量信號(hào)特征的尖峰脈沖時(shí)間序列信號(hào)vt和一對(duì)由nlari(α^(k)，β^(k))-傳感器樣本的輸出作為調(diào)幅器樣本輸入的串聯(lián)系統(tǒng)，計(jì)算輸出v2，t與輸入v1，t的信號(hào)傳感成功率，通過調(diào)節(jié)閾值c1，c2，c3選取具有最大信號(hào)傳感成功率的調(diào)幅器樣品作為神經(jīng)元-調(diào)幅器樣品，它與nlari(α^(k)，β^(k))-傳感器樣本合成為nlari(α^(k)，β^(k))-傳輸器樣本(如圖5的504所示)；

第三步讓k＝k+1，重復(fù)第二步直到k＝p，獲得q個(gè)相同的nlari(α^(k)，β^(k))-傳輸器樣品(圖5的505所示)，讓k＝1；

第四步對(duì)代表被測量信號(hào)特征的尖峰脈沖時(shí)間序列信號(hào)vt，測量由q個(gè)傳輸器樣品按前一個(gè)的輸出作為后一個(gè)輸入的方式串聯(lián)起來的最終輸出(圖5的506所示)；

第五步計(jì)算串聯(lián)實(shí)驗(yàn)的信號(hào)傳輸成功率，重復(fù)第四步獲得平均傳輸成功率(圖5的507所示)；

第六步如果k＜p，讓k＝k+1，返回第四步(如圖5的508所示)，否則選取有最大的平均信號(hào)傳輸成功率的傳輸器樣品作為nlari-傳輸器(如圖5的509所示)。

為區(qū)別于數(shù)據(jù)傳輸，本發(fā)明不采用誤碼率作傳輸精確性指標(biāo)，而導(dǎo)入如下信號(hào)傳輸成功率

其中，w0＝(w0，1，…，w0，n)′表示初始輸入信號(hào)，wq＝(wq，1，…，wq，n)′表示經(jīng)過q次中繼節(jié)點(diǎn)后的輸出信號(hào)，w0，t＝1如果vt≥c3否則w0，t＝0，wq，t＝1如果yq，t≥c3否則wq，t＝0，vt是原始輸入信號(hào)。特別當(dāng)q＝1時(shí)，信號(hào)傳輸成功率(7)被稱為信號(hào)傳感成功率。對(duì)于只有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸，nlari-傳輸器可以不含調(diào)幅解碼器。圖6的601顯示了輸入的尖峰脈沖時(shí)間序列信號(hào)經(jīng)nlari-傳輸仿真一百次、三千次信號(hào)中繼的傳輸成功率，它是隨機(jī)信號(hào)生成器產(chǎn)出一萬個(gè)時(shí)間序列的傳輸成功率的平均值。在仿真參數(shù)域γ∈(0.306，0.412)∪(0.652，0.825)，α∈(0.885，0.845)∪(0.755，0.690)，β∈(0.682，0.952)∪(1.623，2.160)，c1∈(0.0014，0.0016)，c2∈(0.0009，0.0011)，c3∈(0.0007，0.0009)上，信號(hào)傳輸成功率分別達(dá)到了99.00％和99.99％以上的高精度。為說明這些精確傳輸是如何實(shí)現(xiàn)的，圖6顯示了信號(hào)生成器的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)作為一個(gè)信源(如圖6的602所示)、接收的初始刺激(如圖6的603所示)、第一次對(duì)刺激輸入的響應(yīng)(如圖6的604所示)和第一次的信號(hào)重構(gòu)(如圖6的605所示)、第3000次對(duì)刺激輸入的響應(yīng)(如圖6的606所示)和第3000次的信號(hào)重構(gòu)(如圖6的607所示)。人們可以看到每次響應(yīng)都大致準(zhǔn)確，但存在一些誤差，調(diào)幅逆向傳遞函數(shù)消除了響應(yīng)誤差。圖7顯示了被注射(即興奮性神經(jīng)元被藥物抑制，如圖701所示)和未被注射丹皮酚的興奮性神經(jīng)元發(fā)射(如圖703)的尖峰脈沖序列信號(hào)分別作為初始輸入信號(hào)，經(jīng)nlari-傳輸器仿真3000次中繼達(dá)到無失真?zhèn)鬏?如圖702和704所示)。

為了說明本發(fā)明提高的傳感精度的效果，圖8顯示了nlari-傳輸器的精度(如圖8的801所示)與一種新型的時(shí)刪傳感器在經(jīng)過動(dòng)態(tài)測量誤差補(bǔ)償后的精度的一個(gè)比較(如圖8的802所示)(詳細(xì)情況請(qǐng)參考“時(shí)刪傳感器動(dòng)態(tài)測量誤差補(bǔ)償”，光學(xué)精密工程，第23卷，第4號(hào)，2015年4月)。時(shí)刪傳感器的動(dòng)態(tài)測量誤差主要包括了具有周期性的系統(tǒng)誤差和不具有確定性的隨機(jī)誤差。作者通過傅立葉逼近模型對(duì)周期性的系統(tǒng)誤差進(jìn)行分離，使用最小二乘法求解超定方程組的方法推定系統(tǒng)誤差補(bǔ)償參數(shù)，以及建立灰色預(yù)測模型對(duì)隨機(jī)性成份進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)三臺(tái)不同傳感器進(jìn)行了誤差補(bǔ)償后的最終誤差對(duì)比。盡管仿真誤差要比實(shí)體誤差小很多，但是nlari-傳輸器的精度還是明顯高于時(shí)刪傳感器的精度。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。