[發明專利]一種匹配隨機共振檢測方法

有效

• 申請號: 201710514004.5
• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107340056B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 王海燕;馬石磊;申曉紅;董海濤;姚海洋;賈天一;鎖健
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發明提供了一種匹配隨機共振檢測方法，通過傳感器接收并提取海洋環境噪聲，用列維分布模型描述海洋環境噪聲，微弱信號輸入作用下，輸出信噪比，通過最優勢壘高度得到系統參數的最佳關系，根據隨機共振產生的幅度條件確定系統參數，從而得到二階雙穩態系統的最佳匹配系統參數關系，最終得到最佳匹配隨機共振系統，用最佳匹配隨機共振系進行微弱信號檢測。本發明提高了在復雜海洋環境噪聲中的檢測微弱信號的有效性和可能性。

技術領域

本發明屬于信息信號處理領域，涉及隨機共振、水下信號處理、微弱信號檢測等理論。

背景技術

水下微弱信號檢測方法是世界各國都十分重視的一個研究課題，無論對海洋資源開發還是對國防建設都有著重要的價值。水下微弱信號檢測是一個涉及多個科學領域的交叉學科技術。由于海洋環境的復雜多變及海洋環境噪聲的非平穩性等原因，水下弱信號檢測相對于傳統的檢測任務具有更高的難度。

近年來，隨機共振的弱信號檢測方法因其對弱信號的增強特性而被國內外大量研究機構所關注。傳統的弱信號檢測方法主要有匹配濾波法、自適應濾波法、小波變換法和卡爾曼濾波法等，這些方法都是通過去除或抑制噪聲來實現信號檢測，但是在抑制噪聲的同時也對信號產生了一定量的損耗。隨機共振系統是以隨機非線性微分程為數學模型，研究系統輸出與輸入信號、干擾噪聲和系統參數之間的一種非線性現象。利用隨機共振檢測弱信號時，在輸入信號、干擾噪聲與非線性系統參數達到一定的匹配關系時，可以將部分噪聲能量轉化為信號能量，從而大大提高輸出信噪比，從而可以達到在強干擾噪聲背景下檢測微弱信號。

目前隨機共振的實現有兩種方法：第一種是通過增加噪聲強度來產生隨機共振現象；另一種是通過調節系統自身參數，改善信號、噪聲與系統非線性件的匹配關系來產生隨機共振。但是當干擾噪聲強度已經超出系統和信號產生協同的范圍時，再增加噪聲強度是無法產生隨機共振的。目前的各類研究都是基于高斯背景噪聲條件下展開的，但是高斯噪聲是一種理想的噪聲模型，無法用來描述復雜多變的海洋環境噪聲。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種在列維噪聲背景下基于最佳匹配隨機共振的弱信號檢測方法，引入一種更加廣義的列維噪聲，來描述實際的海洋環境噪聲，通過輸出信噪比最大化和隨機共振產生的條件來尋找最佳匹配隨機共振系統參數，使輸入信號、干擾噪聲和隨機共振系統達到最佳匹配，從而檢測出復雜海洋環境噪聲中的微弱目標信號。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

第一步，通過傳感器接收并提取海洋環境噪聲，用列維分布模型描述海洋環境噪聲，列維分布的隨機變量的特征函數表達式式中θ為特征函數的自變量，i為虛數單位，α∈(0,2]為特征指數，β∈[-1,1]為對稱參數，D＞0為列維噪聲強度，μ∈(-∞,+∞)為位置參數；

第二步，在微弱信號輸入作用下，輸出信噪比式中A為輸入信號幅度，ΔV(x)＝a²/(4b)為勢壘高度，其中a、b為雙穩態隨機共振系統參數，由輸出信噪比最大化得最優勢壘

第三步，通過最優勢壘高度得到系統參數a、b和D的最佳關系為由雙穩態系統的克萊默斯躍遷率r_k為輸入信號頻率f₀的兩倍時，系統達到最佳匹配共振，得出系統阻尼參數其中e為自然對數；

第四步，根據隨機共振產生的幅度條件確定系統參數從而得到二階雙穩態系統的最佳匹配系統參數關系

第五步，由步驟一估計得到的列維噪聲相關參數和輸入信號的相關先驗信息，通過得到的二階雙穩態系統的最佳匹配系統參數關系可以得到最佳匹配隨機共振系統，然后用最佳匹配隨機共振系進行微弱信號檢測。