一種基于雙共振的微弱信號檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙共振的微弱信號檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)由傳感器，信號發(fā)生模塊，耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模塊組成。傳感器采集到含有噪聲的待檢測信號作為耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)被控系統(tǒng)的輸入，信號發(fā)生模塊產(chǎn)生頻率可調(diào)的單一頻率信號作為控制信號輸入到耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中。由被控單元與控制單元耦合而成的耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)由加法器，積分器，放大器以及乘法器構(gòu)成。在控制信號的作用下，耦合系統(tǒng)中存在著雙共振，控制單元中的共振可有效增強(qiáng)被控單元中的隨機(jī)共振，數(shù)據(jù)采集模塊采集耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出后，通過頻域分析從而檢測出噪聲背景下的微弱信號。
【專利說明】—種基于雙共振的微弱信號檢測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用雙共振的隨機(jī)共振增強(qiáng)方法在強(qiáng)噪聲背景下對微弱信號進(jìn)行檢測的檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自隨機(jī)共振概念由Benzi等人于1981年在研究地球古氣象問題時(shí)提出以來，隨機(jī)共振因其在信號處理中具有增強(qiáng)信號傳輸能力的優(yōu)勢正越來越廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、機(jī)械設(shè)備故障檢測等涉及到微弱信號處理的領(lǐng)域中。隨機(jī)共振現(xiàn)象是指非線性系統(tǒng)在輸入信號和噪聲共同作用下，隨著噪聲強(qiáng)度從小逐漸增大，其輸出信噪比呈現(xiàn)出非單調(diào)變化。傳統(tǒng)的微弱信號檢測方法如線性放大和線性濾波等，其立足點(diǎn)都集中在抑制噪聲上，但當(dāng)待測信號頻率與噪聲頻帶重疊時(shí)，在抑制噪聲的同時(shí)往往也損害了待測信號，極大影響了微弱信號檢測的性能。與各種抑制噪聲的傳統(tǒng)方法相反，隨機(jī)共振是利用噪聲以增強(qiáng)系統(tǒng)輸出信噪比，從而檢測出微弱信號。作為隨機(jī)共振走向應(yīng)用的關(guān)鍵，隨機(jī)共振的有效控制成為研究的重點(diǎn)。研究隨機(jī)共振的經(jīng)典非線性系統(tǒng)是雙穩(wěn)系統(tǒng)，雙穩(wěn)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，便于理論分析的優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用如閾值系統(tǒng)，生物系統(tǒng)中，雙穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)往往固定，不能通過直接改變其勢壘及閾值進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振的控制。因此，目前在工程中需要研究一種可靈活進(jìn)行隨機(jī)共振控制的微弱信號檢測系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供了一種基于雙共振的隨機(jī)共振增強(qiáng)方法的微弱信號檢測系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種基于雙共振的微弱信號檢測系統(tǒng)，其特征在于，它主要由傳感器、信號發(fā)生模塊、耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊組成，其中，耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)由控制單元與被控單元相連組成，傳感器與被控單元相連，信號發(fā)生模塊與控制單元相連，被控單元與數(shù)據(jù)采集模塊相連；待檢測的含噪的弱周期信號由傳感器采集后加入到耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)的被控單元中；信號發(fā)生模塊產(chǎn)生單一頻率可調(diào)的控制信號，輸入到耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)控制單元中，改變控制信號的頻率大小，使耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)產(chǎn)生共振；最后，由數(shù)據(jù)采集模塊采集耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出的信號后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及波形顯示；所述耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)電路由結(jié)構(gòu)相同的被控單元與控制單元耦合而成；被控單元與控制單元均由三個(gè)放大器、加法器、積分器和四個(gè)乘法器構(gòu)成；加法器的輸出端與積分器的輸入端相連，積分器的輸出端分別與第一放大器，第二乘法器和第三乘法器相連，第三乘法器與第三放大器相連，第二乘法器、第一乘法器和第二放大器依次相連，第一放大器、第二放大器和第三放大器均與加法器的輸入端相連，第四乘法器與第三乘法器相連；控制單元的積分器的輸出端與被控單元的第四乘法器相連，被控單元的積分器的輸出端與控制單元單元的第四乘法器相連，傳感器與被控單元的加法器的輸入端相連，信號發(fā)生模塊與控制單元的加法器的輸入端相連，被控單元的積分器的輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊相連。[0005]進(jìn)一步地，所述加法器包括運(yùn)算放大器U1A、五個(gè)電阻R1-R5 ;電阻Rl的一端與傳感器相連，另一端與運(yùn)算放大器UlA的反相輸入端相連；電阻R5的一端與運(yùn)算放大器UlA的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器UlA的輸出端相連；電阻R4的一端與運(yùn)算放大器UlA的同相輸入端相連，另一端接地；所述積分器包括運(yùn)算放大器U1D，電阻R6，R7 ；電阻R6的一端與加法器的輸出，即運(yùn)算放大器UlA的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器UlD的反相輸入端相連；電阻R7的一端與運(yùn)算放大器UlD的同相輸入端相連，另一端接地；電容Cl的一端與運(yùn)算放大器UlD的反相輸入端相連,另一端與運(yùn)算放大器UlD的輸出端相連；第一放大器由電阻R3和可調(diào)電阻R8組成；可調(diào)電阻R8固定端一端與積分器輸出相連，另一固定端接地；電阻R3的一端與可調(diào)電阻R8的可調(diào)端相連，另一端與加法器輸入端相連，即連接到運(yùn)算放大器UlA的反相輸入端；第二乘法器由乘法器U3A，三個(gè)電阻R9-R11，運(yùn)算放大器U2A組成；U3A的反相與同相輸入端均與積分器的輸出端相連；電阻R9的一端與乘法器U3A的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2A的反相輸入端相連；電阻RlO的一端與運(yùn)算放大器U2A的同相輸入端相連，另一端接地；電阻Rll的一端與運(yùn)算放大器U2A的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2A的輸出端相連；第一乘法器由乘法器U3D組成，其反相輸入端與第二乘法器的輸出相連，同相輸入端與積分器的輸出端相連；第二放大器由運(yùn)算放大器U2D，電阻R13，R14和可調(diào)電阻R15組成；電阻R13的一端與第一乘法器的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2D的反相輸入端連接；電阻R14的一端與第四運(yùn)算放大器U2D的同相輸入端相連，另一端接地；可調(diào)電阻R15的一端與運(yùn)算放大器U2D的反相輸入端相連，另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的輸出端相連；電阻R2的一端與運(yùn)算放大器U2D的輸出端相連，另一端與加法器的輸入端相連；第四乘法器由乘法器U3B，三個(gè)電阻R16-R18，運(yùn)算放大器U2B組成；乘法器U3B的反相與同相輸入端均與控制單元的輸出端相連；電阻R16的一端與乘法器U3B的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2B的反相輸入端相連；電阻R17的一端與運(yùn)算放大器U2B的同相輸入端相連，另一端接地；電阻R18的一端與運(yùn)算放大器U2B的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2B的輸出端相連；第三乘法器由乘法器U3C組成，其反相輸入端與第四乘法器的輸出相連，同相輸入端與積分器的輸出端相連；第三放大器由運(yùn)算放大器U2C，電阻R19，R20和可調(diào)電阻R21組成；電阻R19的一端與三乘法器的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2C的反相輸入端連接；電阻R20的一端與第四運(yùn)算放大器U2D的同相輸入端相連，另一端接地；可調(diào)電阻R21的一端與運(yùn)算放大器U2C的反相輸入端相連，另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的輸出端相連；運(yùn)算放大器U2C的輸出端與加法器的輸入端相連。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:針對雙穩(wěn)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在著難以直接通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振控制的問題，本發(fā)明利用了耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)中存在的雙共振現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出了基于雙共振的微弱信號檢測系統(tǒng)，傳感器將采集到的待測信號輸入到耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)的被控單元中，通過信號發(fā)生模塊向控制單元輸入頻率可調(diào)的控制信號使控制系統(tǒng)產(chǎn)生共振，耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)中產(chǎn)生的雙共振能大幅增強(qiáng)系統(tǒng)中隨機(jī)共振，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊采集耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振輸出進(jìn)行時(shí)頻分析后，可有效檢測出強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是雙共振微弱信號檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是稱合雙穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
圖3是被控單元的電路圖；
圖4是原始故障信號時(shí)域圖；
圖5是原始故障信號功率譜圖；
圖6是僅有耦合作用時(shí)耦合系統(tǒng)輸出功率譜圖；
圖7是雙共振時(shí)耦合系統(tǒng)輸出功率譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]如圖1所示，本發(fā)明基于雙共振的微弱信號檢測系統(tǒng)由傳感器、信號發(fā)生模塊、耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊組成，其中，耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)由控制單元與被控單元相連組成，傳感器與被控單元相連，信號發(fā)生模塊與控制單元相連，被控單元與數(shù)據(jù)采集模塊相連。待檢測的含噪的弱周期信號由傳感器采集后加入到耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)的被控單元中；信號發(fā)生模塊產(chǎn)生單一頻率可調(diào)的控制信號，輸入到耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)控制單元中，改變控制信號的頻率大小，使耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)產(chǎn)生共振；最后，由數(shù)據(jù)采集模塊采集耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出的信號后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及波形顯示。
[0009]如圖2所示，耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)電路由結(jié)構(gòu)相同的被控單元與控制單元耦合而成。被控單元與控制單元均由三個(gè)放大器、加法器、積分器和四個(gè)乘法器構(gòu)成。加法器的輸出端與積分器的輸入端相連，積分器的輸出端分別與第一放大器，第二乘法器和第三乘法器相連，第三乘法器與第三放大器相連，第二乘法器、第一乘法器和第二放大器依次相連，第一放大器、第二放大器和第三放大器均與加法器的輸入端相連，第四乘法器與第三乘法器相連?？刂茊卧姆e分器的輸出端與被控單元的第四乘法器相連，被控單元的積分器的輸出端與控制單元單元的第四乘法器相連，傳感器與被控單元的加法器的輸入端相連，信號發(fā)生模塊與控制單元的加法器的輸入端相連，被控單元的積分器的輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊相連。
[0010]如圖3所示，被控單元中加法器包括運(yùn)算放大器U1A、五個(gè)電阻R1-R5。電阻Rl的一端與傳感器相連，另一端與運(yùn)算放大器UlA的反相輸入端相連；電阻R5的一端與運(yùn)算放大器UlA的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器UlA的輸出端相連；電阻R4的一端與運(yùn)算放大器UlA的同相輸入端相連，另一端接地；
積分器包括運(yùn)算放大器U1D，電阻R6，R7。電阻R6的一端與加法器的輸出，即運(yùn)算放大器UlA的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器UlD的反相輸入端相連；電阻R7的一端與運(yùn)算放大器UlD的同相輸入端相連,另一端接地；電容Cl的一端與運(yùn)算放大器UlD的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器UlD的輸出端相連；
第一放大器由電阻R3和可調(diào)電阻R8組成?？烧{(diào)電阻R8固定端一端與積分器輸出相連，另一固定端接地；電阻R3的一端與可調(diào)電阻R8的可調(diào)端相連，另一端與加法器輸入端相連，即連接到運(yùn)算放大器UlA的反相輸入端。
[0011 ] 第二乘法器由乘法器U3A，三個(gè)電阻R9-R11，運(yùn)算放大器U2A組成。U3A的反相與同相輸入端均與積分器的輸出端相連；電阻R9的一端與乘法器U3A的輸出端相連,另一端與運(yùn)算放大器U2A的反相輸入端相連；電阻RlO的一端與運(yùn)算放大器U2A的同相輸入端相連，另一端接地；電阻Rll的一端與運(yùn)算放大器U2A的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2A的輸出端相連。[0012]第一乘法器由乘法器U3D組成，其反相輸入端與第二乘法器的輸出相連，同相輸入端與積分器的輸出端相連。
[0013]第二放大器由運(yùn)算放大器U2D，電阻R13，R14和可調(diào)電阻R15組成。電阻R13的一端與第一乘法器的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2D的反相輸入端連接；電阻R14的一端與第四運(yùn)算放大器U2D的同相輸入端相連，另一端接地；可調(diào)電阻R15的一端與運(yùn)算放大器U2D的反相輸入端相連，另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的輸出端相連；電阻R2的一端與運(yùn)算放大器U2D的輸出端相連,另一端與加法器的輸入端相連。
[0014]第四乘法器由乘法器U3B，三個(gè)電阻R16-R18，運(yùn)算放大器U2B組成。乘法器U3B的反相與同相輸入端均與控制單兀的輸出端相連；電阻R16的一端與乘法器U3B的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2B的反相輸入端相連；電阻R17的一端與運(yùn)算放大器U2B的同相輸入端相連，另一端接地；電阻R18的一端與運(yùn)算放大器U2B的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2B的輸出端相連。
[0015]第三乘法器由乘法器U3C組成，其反相輸入端與第四乘法器的輸出相連，同相輸入端與積分器的輸出端相連。
[0016]第三放大器由運(yùn)算放大器U2C，電阻R19，R20和可調(diào)電阻R21組成。電阻R19的一端與三乘法器的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2C的反相輸入端連接；電阻R20的一端與第四運(yùn)算放大器U2D的同相輸入端相連，另一端接地；可調(diào)電阻R21的一端與運(yùn)算放大器U2C的反相輸入端相連，另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的輸出端相連；運(yùn)算放大器U2C的輸出端與加法器的輸入端相連。
[0017]以下結(jié)合附圖并通過【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
[0018]本發(fā)明器件的連接方案由傳感器、信號發(fā)生模塊、耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊等四部分串聯(lián)而成。其中，耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)是本微弱信號檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)可由如下方程表示:
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙共振的微弱信號檢測系統(tǒng)，其特征在于，它主要由傳感器、信號發(fā)生模塊、耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊組成，其中，耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)由控制單元與被控單元相連組成，傳感器與被控單元相連，信號發(fā)生模塊與控制單元相連，被控單元與數(shù)據(jù)采集模塊相連；待檢測的含噪的弱周期信號由傳感器采集后加入到耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)的被控單元中；信號發(fā)生模塊產(chǎn)生單一頻率可調(diào)的控制信號，輸入到耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)控制單元中，改變控制信號的頻率大小，使耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)產(chǎn)生共振；最后，由數(shù)據(jù)采集模塊采集耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出的信號后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及波形顯示；所述耦合雙穩(wěn)系統(tǒng)電路由結(jié)構(gòu)相同的被控單元與控制單元耦合而成；被控單元與控制單元均由三個(gè)放大器、加法器、積分器和四個(gè)乘法器構(gòu)成；加法器的輸出端與積分器的輸入端相連，積分器的輸出端分別與第一放大器，第二乘法器和第三乘法器相連，第三乘法器與第三放大器相連，第二乘法器、第一乘法器和第二放大器依次相連，第一放大器、第二放大器和第三放大器均與加法器的輸入端相連，第四乘法器與第三乘法器相連；控制單元的積分器的輸出端與被控單元的第四乘法器相連，被控單元的積分器的輸出端與控制單元單元的第四乘法器相連，傳感器與被控單元的加法器的輸入端相連，信號發(fā)生模塊與控制單元的加法器的輸入端相連，被控單元的積分器的輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于雙共振的微弱信號檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述加法器包括運(yùn)算放大器U1A、五個(gè)電阻R1-R5 ;電阻Rl的一端與傳感器相連，另一端與運(yùn)算放大器UlA的反相輸入端相連；電阻R5的一端與運(yùn)算放大器UlA的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器UlA的輸出端相連；電阻R4的一端與運(yùn)算放大器UlA的同相輸入端相連，另一端接地；所述積分器包括運(yùn)算放大器U1D，電阻R6，R7 ;電阻R6的一端與加法器的輸出，即運(yùn)算放大器UlA的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器UlD的反相輸入端相連；電阻R7的一端與運(yùn)算放大器UlD的同相輸入端相連，另一端接地；電容Cl的一端與運(yùn)算放大器UlD的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器UlD的輸出端相連；第一放大器由電阻R3和可調(diào)電阻R8組成；可調(diào)電阻R8固定端一端與積分器輸出相連，另一固定端接地；電阻R3的一端與可調(diào)電阻R8的可調(diào)端相連，另一端與加法器輸入端相連，即連接到運(yùn)算放大器UlA的反相輸入端；第二乘法器由乘法器U3A，三個(gè)電阻R9-R11，運(yùn)算放大器U2A組成；U3A的反相與同相輸入端均與積分器的輸出端相連；電阻R9的一端與乘法器U3A的輸出端相連,另一端與運(yùn)算放大器U2A的反相輸入端相連；電阻RlO的一端與運(yùn)算放大器U2A的同相輸入端相連，另一端接地；電阻Rll的一端與運(yùn)算放大器U2A的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2A的輸出端相連；第一乘法器由乘法器U3D組成，其反相輸入端與第二乘法器的輸出相連，同相輸入端與積分器的輸出端相連；第二放大器由運(yùn)算放大器U2D，電阻R13，R14和可調(diào)電阻R15組成；電阻R13的一端與第一乘法器的輸出端相連,另一端與運(yùn)算放大器U2D的反相輸入端連接；電阻R14的一端與第四運(yùn)算放大器U2D的同相輸入端相連，另一端接地；可調(diào)電阻R15的一端與運(yùn)算放大器U2D的反相輸入端相連，另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的輸出端相連；電阻R2的一端與運(yùn)算放大器U2D的輸出端相連，另一端與加法器的輸入端相連；第四乘法器由乘法器U3B，三個(gè)電阻R16-R18，運(yùn)算放大器U2B組成；乘法器U3B的反相與同相輸入端均與控制單兀的輸出端相連；電阻R16的一端與乘法器U3B的輸出端相連,另一端與運(yùn)算放大器U2B的反相輸入端相連；電阻R17的一端與運(yùn)算放大器U2B的同相輸入端相連，另一端接地；電阻R18的一端與運(yùn)算放大器U2B的反相輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2B的輸出端相連；第三乘法器由乘法器U3C組成，其反相輸入端與第四乘法器的輸出相連，同相輸入端與積分器的輸出端相連；第三放大器由運(yùn)算放大器U2C，電阻R19，R20和可調(diào)電阻R21組成；電阻R19的一端與三乘法器的輸出端相連，另一端與運(yùn)算放大器U2C的反相輸入端連接；電阻R20的一端與第四運(yùn)算放大器U2D的同相輸入端相連，另一端接地；可調(diào)電阻R21的一端與運(yùn)算放大器U2C的反相輸入端相連，另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的輸出端相連；運(yùn)算放大器U2C的輸出端與加法器的輸入端相連。
【文檔編號】H03K19/00GK103795394SQ201410023387
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月18日
【發(fā)明者】林敏 , 鄭俊 申請人:中國計(jì)量學(xué)院