CN106959157B - 一种基于Duffing和SH-COS混沌系统的超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Duffing和SH‑COS混沌系统的超声波检测方法，在接收信号前调节Duffing混沌系统参数使变量y输出的电压波形为混沌波形，用超声波发射器向超声波接收器发射一组频率为w的余弦波超声波信号，超声波接收器将此信号转换为同频率的余弦波电波信号输入到Duffing混沌系统。Duffing混沌系统中变量y的输出变为频率为w的余弦电压波形，将频率为w的余弦电波输入到与之连接的100分频器，分频后输出频率为w2的余弦电波。调节参数使SH‑COS混沌系统变量y和z输出的电压波形为混沌波形。当频率为w2的余弦波电波输入SH‑COS混沌系统后，SH‑COS混沌系统变量y和z的输出电压由混沌波形转变为接近0V的直流电压，表示超声波接收器收到一个频率为w的余弦波超声波信号。该方法可替代传统检测技术，使余弦波超声波信号的检测得到保证。

Description

一种基于Duffing和SH-COS混沌系统的超声波检测方法

技术领域

本发明涉及信号检测领域，尤其是一种基于Duffing和SH-COS混沌系统的超声波检测方法。

背景技术

在超声波信号检测中，传统的方法是先将信号进行放大和滤波处理，然后加以检测识别。这种检测方法的抗干扰能力弱、并且灵敏度低，检测效果不佳。目前人们已经验证了将Duffing混沌系统用于80～200KHz超声波检测信号的可行性，由于Duffing混沌系统的输出电压波形只有混沌和周期两种状态，并且这两种状态的波形非常接近很难被快速区分，因而无法利用其进行信号检测。

发明内容

本发明目的在于提供一种以100分频器为纽带的基于Duffing和SH-COS混沌系统的超声波检测方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法主要包括信号发射、信号接收、信号识别，具体步骤如下：

步骤1，选用Duffing混沌系统，系统方程为：

式中，设变量x和y的初始输出电压值为0V，选择适当的常数k，在频率80～200KHz范围内选择一个100Hz整数倍的频率值w，从0V电压开始逐渐增加幅值r使系统变量y输出的电压波形由混沌波形突变为余弦波形，设突变点处的r为Duffing混沌系统临界阀值r0，稍微减少r值小于临界阀值r0，变量y的输出电压值重新变为混沌形状的波形；

步骤2，选用SH-COS混沌系统，系统方程为：

式中，r2cos(wt)为SH-COS混沌系统中的余弦函数，qcos(wt)为SH-COS混沌系统输入的外部余弦信号，选适当的常数值b，选择频率在800Hz～2KHz范围内的Duffing混沌系统所选频率w的100分频后的频率值w2＝w/100；设变量x、y和z的初始值输入电压为0V；从0V电压开始逐渐增加混沌系统中余弦函数的幅值r2使SH-COS混沌系统变量y和z输出的电压波形由混沌波形突变为接近0V的直流电压，设突变点处的r2为SH-COS混沌系统临界阀值Rf，稍微减少r2值小于Rf；随着时间t的增加，变量y和z的输出电压值重新变为混沌波形；

步骤3，使用超声波发射器连续向超声波接收器发射一组与Duffing混沌系统中余弦函数相同频率w的余弦波超声波信号；

步骤4，一组与Duffing混沌系统中余弦函数相同频率w的余弦波超声波信号经由空气或水或固体介质，传播到超声波接收器并被接收；

步骤5，超声波接收器将收到的一组频率为w的余弦波超声波信号转换为同频率的一组峰值在0.1～1V之间的余弦波电信号，引入与之连接的Duffing混沌系统，并且和混沌系统中的频率为w的同频率余弦函数rcos(wt)值叠加，当输入的一组余弦波信号叠加rcos(wt)信号后的幅值不断增加超过阀值r0后，将会引起Duffing混沌系统变量y的输出电压由混沌波形转变为峰值在1～3V之间的频率为w的余弦电压波形；

步骤6，将Duffing混沌系统变量y输出的余弦电波输入到与之连接的100分频器，分频器输出峰值在1～3V之间，频率为输入频率1/100的频率w2的余弦电波qcos(w2t)；

步骤7，将分频器输出的余弦电波qcos(w2t)输入到与之连接的SH-COS混沌系统，输入的电波信号qcos(w2t)和SH-COS混沌系统中频率为w2的同频率余弦函数r2cos(w2t)相叠加，当叠加后的幅值r2+q>Rf时，引起SH-COS混沌系统变量y和z的输出电压由混沌波形转变为接近0V的直流电压；

步骤8，通过检测器检测SH-COS混沌系统变量y或z的输出电压，如果输出电压值为混沌波形，表示超声波接收器没有接收到一组和Duffing混沌系统中频率为w的同频率余弦函数超声波信号；如果SH-COS混沌系统变量y或z的输出电压输出为接近0V的直流电压，表示与Duffing混沌系统连接的超声波接收器接收到一组和Duffing混沌系统中余弦函数同频率w的余弦波超声波信号；通过检测SH-COS混沌系统变量y或z的输出进而完成一次余弦超声波信号的发射、接收和识别过程。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、Duffing和SH-COS混沌系统相结合的超声波检测过程只受规定频率的余弦超声波信号输入的影响，不受对其它频率的噪声影响，对干扰信号具有极强的抑制作用；

2、分辨率非常高，检测超声波信号的分辨率可以达到1～2Hz。

具体实施方式

下面对本发明做进一步说明：

本发明方法是一种用于微超声波信号的检测方法，包括发射、接收和识别过程，具体步骤如下：

步骤1、制造余弦波超声波发射器和余弦波超声波接收器；所述的余弦波超声波发射器和余弦波超声波接收器的制造过程，是通过将余弦波超声波发射器和余弦波超声波接收器组成一组超声波发射接收器，用同样频率的余弦波超声波信号发射和接收信息。

步骤2、制造Duffing混沌系统、SH-COS混沌系统和分频器；所述的Duffing混沌系统、SH-COS混沌系统和分频器的制造过程，是调节与超声波接收器连接的Duffing混沌系统的变量和x、y初始值，使变量y输出的电压为混沌波形。调节与Duffing混沌系统连接的分频器，使分频器使其100分频后输出余弦电波。调节与分频器连接的SH-COS混沌系统的变量和x、y和z初始值，使变量y和z输出的电压为混沌波形；

步骤3、超声波发射器向超声波接收器连续发送余弦超声波信号；所述的超声波发射器向超声波接收器连续发送余弦超声波信号的过程，是在规定的时刻，利用超声波发射器发送或不发送规定频率的微弱余弦波超声波信号；在规定的时刻，超声波接收器接收到相同频率的余弦波超声波信号或没有接收到余弦超声波信号。

步骤4、超声波接收器将接收到的余弦超声波信号转换为余弦波电波信号，引入Duffing混沌系统；具体过程是利用已经制造出的超声波接收器，将接收器接收到的余弦波超声波信号转换为同频率的余弦波或方波的电波信号，将转换后的余弦波电波信号作为输入信号，引入与之连接的Duffing混沌系统；如果超声波接收器没有收到余弦波超声波信号，没有电信号引入与接收器连接的Duffing混沌系统；

步骤5、余弦波电波信号和Duffing系统中rcos(wt)信号叠加，引起变量y输出电压由混沌波形转变为余弦电压波形；具体过程是将输入Duffing混沌系统的余弦波电波信号和混沌系统中同频率的rcos(wt)信号叠加，增加后幅值超过阀值r0后，引起Duffing混沌系统中变量y的输出电压由混沌波形转变为余弦电压波形；

步骤6、将Duffing混沌系统变量y输出的余弦电波输入到与之连接的100分频器，分频后输出频率为输入频率1/100频率的余弦电波；具体过程是将Duffing混沌系统变量y输出的余弦电波输入到与之连接的100分频电路，分频电路输出峰值在1～3V之间，频率为输入频率1/100的频率w2的余弦电波qcos(w2t)。

步骤7、分频后的余弦电波输入SH-COS混沌系统，和系统中同频率余弦函数叠加，引起变量y和z的输出电压由混沌波形转变为接近0V的直流电压；具体过程是将分频电路输出的余弦电波qcos(w2t)输入到与之连接的SH-COS混沌系统，输入的电波信号qcos(w2t)和SH-COS混沌系统中频率为w2的同频率余弦函数r2cos(w2t)相叠加，当叠加后幅值r2+q>Rf时，引起SH-COS混沌系统变量y和z的输出电压由混沌波形转变为接近0V的直流电压。

步骤8，识别过程：

通过检测器检测SH-COS混沌系统变量y或z的输出电压，如果输出电压值为混沌波形，表示超声波接收器没有接收到一组和Duffing混沌系统中频率为w的同频率余弦函数超声波信号。如果SH-COS混沌系统变量y或z的输出电压输出为接近0V的直流电压，表示与Duffing混沌系统连接的超声波接收器接收到一组和Duffing混沌系统中余弦函数同频率w的余弦波超声波信号。

根据Duffing和SH-COS混沌系统相结合的余弦波超声波信号的发射、接收和识别过程可知，余弦波超声波信号的发射、接收和识别过程实际上是可以实现的。因此，Duffing和SH-COS混沌系统的超声波检测具有可实际实现的特征。

Claims (1)

1.一种基于Duffing和SH-COS混沌系统的超声波检测方法，其特征在于，所述方法主要包括一个余弦波超声波信号发射器、一个余弦波超声波信号接收器、一个Duffing系统、一个SH-COS系统和一个100分频器；所述方法的步骤如下：

步骤1，选用Duffing混沌系统，系统方程为：

式中，设变量x和y的初始输出电压值为0V，选择适当的常数k，在频率80～200KHz范围内选择一个100Hz整数倍的频率值w，从0V电压开始逐渐增加幅值r使系统变量y输出的电压波形由混沌波形突变为余弦波形，设突变点处的r为Duffing混沌系统临界阈值r0，稍微减少r值使r值小于临界阈值r0，变量y的输出电压值重新变为混沌形状的波形；

步骤2，选用SH-COS混沌系统，系统方程为：

式中，r2cos(w2t)为SH-COS混沌系统中的余弦函数，qcos(w2t)为SH-COS混沌系统输入的外部余弦信号，选适当的常数值b，选择频率在800Hz～2KHz范围内的Duffing混沌系统所选频率w的100分频后的频率值w2＝w/100；设变量x、y和z的初始值输入电压为0V；从0V电压开始逐渐增加混沌系统中余弦函数的幅值r2使SH-COS混沌系统变量y和z输出的电压波形由混沌波形突变为接近0V的直流电压，设SH-COS混沌系统突变点处的r2为临界阈值Rf，稍微减少r2值使r2值小于Rf；随着时间t的增加，变量y和z的输出电压值重新变为混沌波形；

步骤3，使用超声波发射器连续向超声波接收器发射一组与Duffing混沌系统中余弦函数相同频率w的余弦波超声波信号；

步骤4，一组与Duffing混沌系统中余弦函数相同频率w的余弦波超声波信号经由空气或水或固体介质，传播到超声波接收器并被接收；

步骤5，超声波接收器将收到的一组频率为w的余弦波超声波信号转换为同频率的一组峰值在0.1～1V之间的余弦波电信号，引入与之连接的Duffing混沌系统，并且和混沌系统中的频率为w的同频率余弦函数rcos(wt)值叠加，当输入的一组余弦波信号叠加rcos(wt)信号后的幅值不断增加超过阈值r0后，将会引起Duffing混沌系统变量y的输出电压由混沌波形转变为峰值在1～3V之间的频率为w的余弦电压波形；

步骤6，将Duffing混沌系统变量y输出的余弦电波输入到与之连接的100分频器，分频器输出峰值在1～3V之间，频率为输入频率1/100的频率w2的余弦电波qcos(w2t)；

步骤7，将分频器输出的余弦电波qcos(w2t)输入到与之连接的SH-COS混沌系统，输入的电波信号qcos(w2t)和SH-COS混沌系统中频率为w2的同频率余弦函数r2cos(w2t)相叠加，当叠加后的幅值r2+q>Rf时，引起SH-COS混沌系统变量y和z的输出电压由混沌波形转变为接近0V的直流电压；

步骤8，通过检测器检测SH-COS混沌系统变量y或z的输出电压，如果输出电压值为混沌波形，表示超声波接收器没有接收到一组和Duffing混沌系统中频率为w的同频率余弦函数超声波信号；如果SH-COS混沌系统变量y或z的输出电压输出为接近0V的直流电压，表示与Duffing混沌系统连接的超声波接收器接收到一组和Duffing混沌系统中余弦函数同频率w的余弦波超声波信号；通过检测SH-COS混沌系统变量y或z的输出进而完成一次余弦超声波信号的发射、接收和识别过程。