Generation and detection of multi-frequency calibration signal for distributed electromagnetic receiver

为了提高分布式电磁接收系统频域标定的效率和精度,提出了一种基于多频伪随机信号的标定方法并研究了多频标定信号的产生和标定数据的处理方法.首先,根据多频伪随机信号的解析式分析了其主频点的振幅和分布特点,通过现场可编程门阵列(FPGA)实现了伪随机信号的编码合成并产生了高精度双极性标定信号源.然后,基于相关检测的噪声抑制原理,给出了检测含噪声多频标定输出信号幅度和相位的多次相关迭代法并通过仿真进行了验证.最后,对分布式双通道电磁接收系统的采集通道和磁场传感器进行了标定测试.结果表明:在外界噪声不大于标定输出信号幅度的环境下,检测结果幅度误差小于2％,相位误差小于1°.该标定方法快速准确,可用于分布式电磁接收系统在不同野外环境下的频域标定.     

基于FPGA的双DDS任意波发生器设计与杂散噪声抑制方法

研究基于DDS(直接数字频率合成)的任意波信号产生的机理,在FPGA内嵌SOPC,配置了32位的软微处理器NiosII,利用FPGA实现双DDS的相位累加器,通过数字方法直接实现任意波形的各种频率调制.分析了高速相位累加器截断误差,幅度量化误差和D/A非线性引起的杂散分量产生的原因.推导出DDS相位噪声模型,针对信号的频谱成份设计了高阶低通滤波器对输出信号滤波.结合NiosII,设计硬件电路对输出信号进行幅频校正,保证了信号幅值的稳定输出及实际显示数值的一致性.测试表明,信号波形发生器能输出稳定、高带宽、高速度、高精度、低衰减的任意波形,三角波的输出频率大于1 MHz,输出信号幅度峰峰值在50 mV～20 V范围内以10 mV的步进调节.     

采用知识的粒子群算法的多频微弱信号自适应随机共振检测方法

调参随机共振系统结构参数的选择对该检测方法的性能优劣起着决定性的作用。针对工程应用中对多频微弱信号实时检测的要求,提出以平均输出信噪比为适应度函数,将随机共振系统产生最佳共振效应时势垒与噪声强度大致相等这一特性作为知识,采用基于知识的粒子群算法来并行优化随机共振系统结构参数。与标准粒子群算法相比,该算法能以更快的速度得到最佳的系统结构参数,自适应地实现非线性系统、输入信号和噪声之间的最佳匹配,削弱多频含噪信号中的噪声,提高信号的输出信噪比。仿真试验和水轮机振动信号提取的工程应用均表明,该方法参数寻优效率高,简单易行,在采样点数较少的条件下能最优地检测出淹没在强噪声中的多频微弱信号,可以实现早期故障特征信号的提取。     

时域随机驱动信号生成试验研究

将高阶累积量谱应用于多点随机振动控制环境试验中,生成时域随机驱动信号。通过建立三阶累积量谱(双谱)与自谱间的幅频与相位转换关系,经时域随机驱动信号验证性生成实验,揭示这层关系的存在。其次在多输入多输出线性系统理论假设前提下,根据系统驱动、系统频响、系统响应间线性映射关系,通过双谱与自谱间的幅频与相位转换,经IFFT(iverse fast Fourier transform)变换生成满足试验控制要求的时域随机驱动信号。最后以一悬臂梁为试件,对其进行双输入、双输出随机振动控制环境模拟试验。试验结果表明:将双谱应用于多点随机振动控制试验中生成时域随机驱动信号的方法是可行有效的,同时也验证了双谱能抑制高斯白噪声的特性,这一点可通过所生成驱动信号的概率密度分布特征曲线(部分满足均匀分布)进行体现。     

二进小波振动检测中低频保相的二次变换处理

信号在二进小波分解中相位产生变化,特别是低频段,直接影响信号检测结果的频域分析。在分析二进小波变换的低频移相特性后,提出了二进小波二次变换的理论方法,论述了其可行性,并通过多频信号小波分解细节图示给出了任何一层二进小波分解使相位后移90°的说明。通过线性多频和非线性两个实例分析,验证了振动信号的二进小波二次变换的相位保持能力。     

用于乳腺普查的电阻抗扫描系统的硬件设计

为实现可用于临床乳腺普查的电阻抗成像硬件系统,从临床普查角度出发分析硬件系统的设计要求,进行基于平板电极阵列方式的阻抗扫描成像硬件系统设计.建立了一个多频电阻抗扫描硬件系统,经定标电阻网络对系统的性能进行了评估,激励源输出幅值为1.0V时,幅度信噪比为80dB,相位噪声0.005°;相应采集信号幅度信噪比为60dB,相位噪声0.05°.系统可以识别1%的阻抗变化.物理模型实验表明,系统可识别2mm×2mm×2mm的高电导率目标体.硬件系统精度高,模型实验证明本系统满足临床乳腺检测的需要,但要在临床实验中进一步验证.     

低噪声高一致性水声阵列接收机系统设计

为了满足潜标系统中水声阵列信号的低噪声多通道同步采集的需求，以及针对由接收机器件不一致引起的通道间幅相一致性偏差问题，提出了一种低噪声、高一致性水声阵列接收机系统的模块化设计方法。基于FPGA实现水声阵列信号的采集与传输，并在FPGA内设计幅相偏差修正模块对采集数据进行幅相修正。实验测试表明：在不同增益下接收机采样误差均小于0.5%，在200～2 500 Hz的工作频带内系统自噪声小于15 nV/■。幅相修正前各通道相位偏差小于2°，幅度偏差小于0.5 dB。幅相修正后相位偏差小于0.1°，幅度偏差小于0.05 dB。     

基于反相双峰指数模型的微弱瞬态极低频信号的估计与检测

在铁磁管道环境下,同频窄带噪声中的微弱瞬态极低频信号的估计与检测问题是管道机器人跟踪定位中最为重要的科学问题之一。为实现窄带噪声中的微弱瞬态信号的有效检测,分析了接收线圈在不同空间姿态下的信号特点,针对信号与窄带噪声相位上的区别以及信号包络的形态,建立了相位反相的双峰指数函数数学模型;应用非线性最小二乘估计,实现了该数学模型和真实信号之间的拟合;通过仿真和实验验证了该数学模型与真实信号的高度匹配性,并应用蒙特卡洛仿真分析了该模型参数估计的性能;使用所建立的数学模型,构建了平均功率检测器和瞬时最大功率检测器,通过分析比较极低频发射机在不同移动速度和接收信噪比条件下的检测性能,得出了两种检测器的特点和适用范围,并指出在现有工程背景下平均功率检测器的优势。实验证明,相位反相信息对同频窄带噪声中的信号检测非常重要,平均功率检测器在低信噪比条件下的检测性能良好。在信噪比为0.05 d B、虚警概率设为1%时,该检测器的检测概率达98.8%。     

基于多稳随机共振的机电设备故障诊断研究

针对机械轴承早期故障诊断提出了多稳随机共振检测方法。分析了系统参数对多稳系统结构的影响,研究了高斯噪声背景下基于多稳随机共振的微弱信号检测方法。采用平均输出信噪比作为衡量指标,以多频微弱信号为待测信号进行数值仿真,并将其应用于滚动轴承故障信号检测中,实验结果均表明,该方法对早期故障振动信号具备准确的诊断能力,为其应用于工程实践奠定了基础。     

基于伪随机序列自相关的多传感器测距系统

针对单脉冲回拨方式的超声测距方法存在抗干扰能力差和不能全方位检测环境信息等缺陷,开发了一种多传感器测距系统。该多传感器超声测距系统基于伪随机序列自相关原理,通过对发射信号和回波信号进行相关运算精确的捕捉其相位差来计算渡越时间。以现场可编程门阵列(FPGA)为核心器件,结合超声回波的特点设计了能抑制和隔离电路中噪声的回波微弱信号接收电路、多路模数转换电路和相应的软件系统;提出了适用于该系统的误差校正方法。FPGA仿真结果表明,在误码存在的情况下,设计的基于自相关的回波信号识别系统可以很准确的消除超声串扰和计算出渡越时间。     

Study on multi-frequency weak signal detection method based on stochastic resonance tuning by multi-scale noise

In practical engineering applications, useful information is often submerged in strong noise and the feature information is difficult to be extracted. Aimed at the detection problem of multi-frequency signal under colored noise background, a novel weak signal detection method based on stochastic resonance (SR) tuning by multi-scale noise is proposed. Firstly, noisy signal is processed by orthogonal wavelet transform to decompose the signal into multi-scale ingredients. According to the orthogonal wavelet transform coefficients characteristics of 1/f distribution, multi-scale noise is constructed so as to make the frequency-band containing the driving frequency be enhanced through SR system. Thus multi-frequency weak signal is detected. The method is effective to detect multi-frequency weak signal under colored noise background. Experiment signal analysis results show that the proposed method is simple for multi-frequency weak signal detection, and has good prospects for engineering applications.     

一种基于杜芬振子的微弱信号检测方法

杜芬振子相变对与参考信号频差较小的周期弱信号具有敏感性,对白噪声和参考信号频差较大的周期干扰信号具有免疫力。在此基础上结合Labview和Matlab的接口技术提出了一种能在强噪声环境下检测弱信号的方法,该方法具有很好的信噪比,且在超声波弱信号检测得到了验证,具有良好的检测结果。     

基于相关自适应器的EM-MWD信号检测系统设计

经EM-MWD(electromagnetic method measurement while drilling)电磁通道传输至地表的信号很微弱并且极易受到白噪声、奇异噪声、工频噪声及其谐波等干扰,导致信号特征参数提取的准确度降低,为了解决这一难题,通过对电磁波传输信道的研究,根据接收初始信号强度以及自适应检测和相关检测的特点,研究并设计了相关自适应器,并基于此设计了电磁随钻地表信号检测系统。然后用Hilbert变换求信号包络,完成了数据拟合和残差分析,并计算了信噪比、均方根误差和误码率,最后做了实验。仿真和实验结果表明,利用该检测系统,能够提高信号特征参数的准确度,达到有效降噪目的,对后续分析和研究提供了保证。     

基于 CS-FastICA 的超导电磁数据消噪方法研究

超导电磁探测极易受到环境电磁噪声的干扰，严重影响了数据的解释精度。针对这一问题，提出了一种基于信噪分离消噪原理的超导电磁噪声抑制方法。该方法首先利用FastICA算法从观测信号中分离提取二次磁场信号，然后针对信号分离后的幅值不确定性问题，基于最大化非高斯性和最小畸变准则构建优化约束模型，最后利用CS搜索算法迭代求解分离矩阵的最优参数值。仿真结果显示，本文方法在信噪比和均方误差指标上均优于PCA、WA和ICA方法，消噪后信号的信噪比提高了16.6 dB。现场实验表明，本文方法对多种环境电磁噪声均具有良好的抑制效果，消噪后观测信有效时间提高了近4倍。观测信号质量得到了显著改善，视电阻率成像解释深度达1 000 m,充分验证了本文方法的有效性和实用性。     

基于时频分析的移频轨道交通信号检测方法

针对传统方法对交通信号检测时,由于未能提取交通信号的时频特征,导致信号检测时存在检测精度低、检测误差大和噪声频率不稳定等问题,提出基于时频分析的移频轨道交通信号检测方法。首先利用时频分析法对移频轨道交通信号的时频特征进行提取;再基于提取的信号时频特征,利用信号的概率密度函数获取交通信号的信号双谱;最后利用卷积神经网络分类处理有双谱的交通信号,实现信号检测。实验结果表明,该方法检测信号时,检测精度高、检测误差小,以及噪声频率稳定。     

机械振动微弱慢频变信号的混沌振子检测

机械振动微弱信号的检测与识别有利于早期故障的检测与诊断。用Duffing混沌振子检测微弱振动信号具有明显的优势。提出了用混沌振子检测慢变频微弱振动信号的方法。在给出Duffing混沌振子对微弱信号检测的基本原理后，根据慢频变信号的特征，对信号进行了周期离散，提出了对暂态信号进行时域延拓的方法，分析了可行性。提出了幅频联调方法，设计了检测原理，并给出了实现步骤。结合所提出的两种方法，对带噪声的频变微弱振动信号进行了检测分析。仿真结果和实际采集信号分析结果支持了所提出方法的适用性。     

Novel Gas Concentration Measurements based on Harmonic Detection and a Broadband Light Source

The determination of gas concentration based on harmonic detection was studied theoretically and experimentally. The principle of second harmonic detection technology based on a broadband light source and the impact of modulation parameters on the harmonic signals were analyzed theoretically. The principles of multiple modulation were analyzed in order to improve the detection resolution. A fiber Bragg grating bonded to a carbon fiber cantilever was designed to achieve wavelength modulation. The impact of the modulation frequency and voltage amplitude on the second harmonic signals were studied experimentally. The output of the detector and the impact of the random noise were analyzed at different modulation frequencies and amplitudes. The optimum frequency and amplitude were determined to be 40 Hz and 2 V. The measurement of acetylene was carried out using this system. The results show that the gas measurement limit was 500 ppm, the stability was 3.92%, and the system sensitivity was 1 µV/ppm.     

基于Duffing方程的齿轮故障检测方法研究

提出一种基于修正Duffing方程间歇混沌理论的弱信号检测新方法.在该检测方法中,当输入信号频率与系统激励频率之间存在微小偏差时系统输出为间歇混沌信号,且其频率偏差可由输出混沌信号的统计特性进行估计.数值仿真结果表明这种方法可以准确检测出信噪比很低的微弱正弦信号.最后,利用实验平台采集齿轮振动声信号数据,分别采用频谱分析法和混沌弱信号检测法对实验数据进行检测,结果表明混沌弱信号检测法具有更高的检测精度和更强的抗干扰能力.     

正交检波在自动阻抗匹配器信号检测中的应用研究

分析了自动阻抗匹配器中常规信号检测及相应匹配控制算法存在的不足,给出了高速模拟开关正交检波方案。理论分析表明,正交检波在自动阻抗匹配器信号检测中能够同时获得射频信号的幅值和相位信息;模拟实验结果表明,模拟开关正交检波方案有抑制噪声能力强、线性度好、动态范围宽等优点。与仅检测到射频信号的入射功率和反射功率相比,实时监测射频信号的幅值和相位信息,可以进一步提高自动阻抗匹配器的匹配性能。