基于耦合Van der Pol-Duffing系统的微弱信号检测研究

传统方法检测微弱信号具有一定的困难,利用混沌振子对微弱信号敏感以及对强噪声具有良好免疫力的特性,提出基于耦合Van der Pol-Duffing振子系统检测微弱信号的新方法。对比不同参数下耦合系统的动力学行为,通过分岔图和二分法确定临界阈值,保证阈值搜索速度和阈值精度。阐述基于相图的微弱信号检测原理,通过从混沌态到周期态的转变成功检测淹没在强噪声中的微弱信号,信噪比门限达到–30 d B。同时考察不同精度幅值下噪声对系统状态的影响,不同频率信号以及相移对检测的影响。仿真结果表明,该耦合系统在强噪声条件下对微弱信号敏感,用于检测微弱信号是可行的。     

混沌态杜芬振子与弱正弦信号参量估计

建立了一个对微弱正弦信号参量变化极其敏感的动力学系统.首先对多参量简化杜芬方程进行了改进,采用梅尔尼科夫过程函数讨论了方程的解和微分流形的演化情况;分析了非高斯色噪声对杜芬振子混沌运动行为的影响;进而提出了一种新的非高斯色噪声背景下正弦信号参量估计方法.理论分析和仿真实验都表明,此杜芬振子混沌状态下对任何零均值噪声具有免疫力,对正弦信号参量变化极为敏感.     

周期激励Ueda电路系统的双参数特性分析

数值计算周期激励Ueda电路系统在双参数平面上的最大Lyapunov指数,得到系统在双参数平面上周期运动、拟周期运动和混沌运动的参数区域。结合单参数分岔图和庞加莱截面图讨论多参数耦合对系统运动稳定性的影响以及系统在参数平面上的分岔混沌过程,表明在不同的参数匹配下系统的局部动力学特性非常复杂,参数之间的相互耦合关系对系统分岔与混沌过程的影响非常明显:当外激励幅值小于1.0时,系统在外激励频率小于1.181或大于1.936的区域内均为拟周期运动;当外激励幅值大于1.0时,系统在外激励频率小于0.9和大于2.5的区域内出现混沌运动和周期运动相交替的现象;选取合适的参数,系统由拟周期运动经锁相退化为周期运动,后经倍周期分岔序列进入混沌运动;在给定系统参数下,当外激励频小于0.2时,系统振子发生颤振。     

基于变形Lorenz系统和李雅普诺夫指数的微弱周期信号检测

提出了一种变形的Lorenz混沌检测系统,此系统主要具有混沌态和类周期态2种状态。利用最大李雅普诺夫指数作为判断混沌系统由混沌态趋于类周期态变化的量化依据,自动识别混沌系统的临界状态,更准确地判断微弱信号的存在。将互相关检测方法与混沌检测方法相结合,实现强噪声背景下微弱周期信号检测。仿真结果表明,该方法能有效地检测出强噪声中的微弱周期信号。     

最大Lyapunov特性指数在微弱信号检测中的应用

利用Duffing振子的运动状态来判断微弱信号的存在是一种常用的方法,通常此方法没有明确的门限。由于最大Lyapunov特性指数是指示动力学系统是否处于混沌状态的重要参数,所以将最大Lyapunov特性指数作为混沌判据引入基于Duffing振子的微弱信号检测中。利用最大Lyapunov特性指数指示Duffing振子所处的状态,如果最大Lyapunov特性指数大于1,测说明系统处于混沌状态,反之则处于周期状态,从而为此方法提供了更为直观的判断依据。仿真结果表明,采用最大Lyapunov指数作为判断依据可以更准确的判断微弱信号的存在,进而说明此方法的可行性。     

基于Lorenz混沌同步系统的未知频率微弱信号检测

针对现有混沌类检测方法存在的不足,提出一种基于混沌同步系统测量强噪声背景下微弱信号频率值的新方法。该方法利用Lorenz混沌系统自身的初值敏感性、噪声免疫性和混沌系统的可同步性,采用驱动-响应法构建同步检测系统对微弱信号进行降噪处理,再结合多信号分类算法处理所得到的同步误差信号,最终实现微弱信号的频率测量。该方法有效解决了单Duffing振子参数设定复杂、运行状态转换时间长和状态判定困难的问题,也无需采用复杂的混沌系统阵列结构求解待测信号的频率值。仿真和实验结果表明新方法能够准确检测出微弱信号的频率,进一步完善了现有混沌类检测方法,为其应用于实际工程提供了新的思路。     

混沌理论在车载超声测距系统中的应用研究

利用混沌系统敏感依赖于初始条件的特性,通过判断系统运动状态的变化,实现车载噪声环境下的微弱超声波信号的提取。系统的仿真实验结果表明混沌振子检测理论在抑制噪声、检测微弱信号方面具有很高的先进性,可以大大提高超声波测距的精度和性能。     

驱动输入白噪声对Duffing振子运动影响分析

强噪声背景下混沌弱信号检测是利用弱信号的周期扰动使系统运动状态发生改变实现的，研究了数值解算时计算步长和驱动输入白噪声对弱信号检测中Duffing振子运动特征的影响，重点研究了对Duffing振子混沌临界态和大尺度周期态的影响，结果表明采用数值解算的步长不同系统运动状态不相同，与统计意义下任何零均值噪声都不会改变系统原有运行轨迹不同，不同功率的驱动输入白噪声会导致系统状态改变，分析了产生原因。     

机电设备早期故障微弱信号的非线性检测方法及工程应用

阐述了并联随机共振、混沌振子、差分振子的基本原理和数学模型.并联随机共振利用相关分析从多个随机共振输出结果中提取出相同成分,在一定程度上减小了对参数设置的依赖性.当混沌振子从混沌状态向大尺度周期状态转变时,其相图的Hu氏不变矩值将发生明显的跃变,利用Hu氏不变矩的跃变对混沌振子的状态进行自动定量识别.差分振子相图的大小与待检测信号幅值之间呈现出一种线性比例关系,弥补了差分振子不能检测信号幅值的缺陷.将这三种非线性方法应用于机电设备故障诊断中,成功地提取出了设备早期故障的微弱特征信息,取得了理想的效果.     

回波信号限幅对声学多普勒测速偏差的影响

声学多普勒测速设备常采用复协方差算法测量多普勒频移，当回波信号出现限幅时会产生频移测量偏差，进而导致测速偏差。文章基于复协方差算法分析了回波信号限幅引起多普勒测速偏差问题的原因，得出限幅后频移测量偏差随真实频移变化而呈现正弦振荡变化的规律，分别使用窄带和宽带发射信号完成回波限幅仿真计算。基于声学多普勒测速仿真器和海上试验完成了对声学多普勒测速设备回波限幅数据的采集，仿真和试验数据结果与理论分析结果一致。     

带有余弦函数的三维混沌弱信号检测系统及电路实现

从理论上分析了二维Duffing弱信号检测系统变量输出在混沌和周期态之间交替转换。发现一种新的三维混沌弱信号检测系统生成规则,以生成4种检测系统之一的三维Liu-cos混沌系统为例,采用傅里叶变换等方法从理论上验证了新生成的三维混沌弱信号检测系统输出信号具有广域收敛性,解决了二维Duffing混沌弱信号检测系统不能广域检测和输出信号不收敛问题;新设计的三维Liu-cos混沌弱信号检测电路空中声波实验显示可抗低频声波干扰,检测性能优于二维Duffing混沌电路和新设计的Duffing＋滤波器电路,水中实验显示三维Liu-cos混沌弱信号检测电路可抗高频水声干扰,可检测波形畸变的水声信号。     

利用间歇混沌检测含噪未知频率信号的研究

研究发现被测信号频率和干扰噪声变化都会引起间歇混沌间隔的变化,通过仿真实验分析了被测信号频率和干扰噪声对间歇混沌特征影响的相互关联关系,从理论上分析了被测信号频率和相角变化对间歇混沌特征的影响,提出了一种利用间歇混沌特征变化测量含噪未知频率信号的方法,设计了有噪声和无噪声两种环境中对声波信号频率的检测实验。实验结果显示与Duffing混沌系统相比,利用Liu-cos混沌系统间歇混沌检测含噪未知频率信号的效果更好。     

Holmes型Duffing系统动力学特性仿真及实验

针对混沌研究中缺乏可进行有效可重复性实验混沌振动平台问题,设计混沌振动实验台架并开展实验研究。建立近似于在双势阱中粒子运动的数学模型,并分析系统动力学特性,观察到系统出现的周期解和混沌解。利用系统响应随参数变化的分岔特性,得到系统混沌参数区。在实验研究中,进一步确定混沌参数区间,并观察到了Holmes型Duffing系统中初值敏感性现象以及在通往混沌过程中出现的对称破缺分岔和倍周期分岔现象。     

横纵激励下几何非线性复合材料层合梁的混沌同步

本文基于里兹-伽辽金法,将考虑几何非线性的一端固支一端夹支复合材料层合梁的控制方程简化为典型的Duffing方程;引入了Duffing-Van Der Pol系统,通过两种系统的分岔图说明了它们共同达到混沌时的参数值;通过广义投影同步法,实现了Duffing系统和Duffing-Van Der Pol系统的精确同步,得到了实现两种系统同步的控制器;分别将两种系统通过Matlab进行了数值仿真,得到了两种系统的同步误差曲线图、二维相图和三维相图,从而验证了混沌同步的准确性。     

Liu-cos混沌系统在声波弱信号检测中的应用

针对混沌三维弱信号检测系统的特点,设计了一种傅里叶变换和李雅普诺夫算法相结合的收敛性判别算法,证明了三维Liu-cos混沌系统对于声波弱信号检测具有广域性并且当输入声波信号幅值大于临界阈值时,系统变量x输出平衡于输入的周期摄动力信号, 系统变量y和z的输出收敛于零,临界阈值具有唯一性。解决了传统Duffing混沌系统应用于声波弱信号检测时,系统变量x和y输出不收敛、只能进入窄域检测等问题。构造了Duffing混沌系统和三维Liu-cos混沌系统的实际声波检测实验,分析了混沌系统在实际声波检测过程中的性能。     

Effect of variation of input banwidth on the response of hardening Duffing oscillators

The response of hardening Duffing oscillators to coloured noise excitation is considered. It is shown that for certain combinations of excitation intensity and bandwidth the system realises multi-valued response states. Theoretical predictions of bounds in the parameter space which define regions of multiple statistical moments are supported by numerical simulation results. The effect of the occurrence and persistence of multi-level responses on the probability distribution of the peaks is also considered.     

5种新混沌弱信号检测系统设计

为了进一步改进混沌弱信号检测系统的性能,设计了5种新的高灵敏度复合混沌弱信号检测系统,并选择其中一种与目前广泛使用的Duffing混沌弱信号检测系统进行了对比分析,结果显示新复合混沌系统可以克服Duffing混沌弱信号检测系统出现的3个难题:被检测信号消失后混沌状态无法快速自动回复、大周期状态不稳定以及混沌状态和大周期状态难以区分。通过使用Jacobian矩阵和特征方程的分析,显示了新复合混沌系统比Duffing混沌系统更为有效。与传统弱信号检测方法相比,新复合混沌系统电路简单、具有更低的信噪比和检测信号门限。理论分析和实验显示了新复合混沌系统的特性。     

Investigations on the bifurcation of a noisy Duffing–Van der Pol oscillator

This study carried out investigations on the bifurcation characteristics of a Duffing–Van der Pol (DVDP) oscillator subjected to white noise excitations. Dynamical (or D-) bifurcations are characterised by dramatic changes in the dynamical behaviour leading to topological changes in the phase portrait. An additional mode of bifurcation - phenomenological (or P-) bifurcation, is observed in stochastically excited systems when the stationary joint probability density function of the state variables undergo topological changes in the probability space. While D-bifurcation analysis is quantified in terms of the sign changes in the largest Lyapunov exponent, P-bifurcation analysis is usually qualitative and through visual inspection. In this study, a new quantitative measure for P-bifurcations based on the Shannon entropy is proposed. A comparison of the parameter regimes of the noisy DVDP oscillator identified by the three bifurcation methodologies have been presented.