CN113608021B - 一种混沌振子电路和基于混沌理论的微弱信号检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混沌振子电路和基于混沌理论的微弱信号检测系统，属于微弱信号检测领域。包括：混沌振子电路输出端接参数调节测量模块；参数调节测量模块包括：标准信号源，用于产生6GHz的标准正弦信号，输出至分频器；分频器，用于将标准信号等分为1/2、1/4…频率的信号，输出至控制模块；控制模块，用于根据分频后信号生成扫频范围，对扫频范围内的每个频率：根据选中频率调节第一反馈系数可调放大器、第二反馈系数可调放大器的放大比例系数，使得混沌振子电路处于混沌临界状态；采样此时混沌振子电路输出信号，若其方差超过设定阈值，则待测信号包含当前选中频率信号。本发明通过混沌系统所处状态检测出是否含有周期信号，提高探测精度和可靠性。

Description

一种混沌振子电路和基于混沌理论的微弱信号检测系统

技术领域

本发明属于微弱信号的检测技术领域，更具体地，涉及一种混沌振子电路和基于混沌理论的微弱信号检测系统。

背景技术

微弱信号检测主要研究从噪声中提取信息的方法及技术，运用这种技术可以测量到传统测量手段认为不能测量的及其微弱量，如弱光、小位移、微振动、微电压、微电流等。在工程上很多的微弱物理量都通过传感器转化为微弱电信号来测量，在绝大多数情况下，人们往往都是通过各种传感器将这些微弱的被测量转换成电信号来进行测量的，因此，微弱电信号的测量在所有物理量的测量中占有极其重要的意义因此微弱电信号的测量对工程未知领域的测量和探索具有重要价值。

工程领域物理参数的测量基本都是采用传感器来进行数据采集，无论是电传感器或是其它传感器，在做信息转换时都不可避免地会带进噪声。而微弱信号检测中，信号往往都是淹没在噪声之中，因此如何有效地排除噪声对信号测量精度的影响在测量系统中显得非常重要，在微弱电压信号检测中尤以微弱正弦信号的检测最为关键，尤其是物理光学、量子力学、生物医学等领域研究的不断深入，人们提出了纳伏甚至亚纳伏级正弦信号测量的迫切要求。

常规的微弱信号检测方法的局限性主要表现在所能检测到的微弱信号的信噪比门限值较高，虽然现有的频域方法的输入信噪比门限比时域方法有所降低，但它主要检测以平稳高斯分布噪声为背景噪声的微弱信号，同时还需要大量先验概率分布知识才能估计出待检测信号的参量。若信号弱于噪声，一般测量方法进行信号测量和提取是非常艰难的，传统测量方法如窄带化技术利用信号的相干性来进行测量。可利用相干检测技术把与信号不相干的噪声滤除掉，通过限制测量系统带宽的方法，把大量带宽外的噪声排除，但需要在较高信噪比下才能检测到信号。

发明内容

针对现有技术微弱信号检测系统可靠性低、信号抗干扰能力较差、精确度低的缺陷和改进需求，本发明提供了一种混沌振子电路和基于混沌理论的微弱信号检测系统，其目的在于通过混沌系统所处的状态来自动判别混沌系统是处于混沌状态，还是处于稳定周期运动状态，从而检测出信号中是否含有周期信号，避免出现误判，提高探测系统的精度和可靠性。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种混沌振子电路，所述混沌振子电路由求和积分电路、第一反馈支路和第二反馈支路构成；

求和积分电路，用于对输入的各路信号进行求和积分；

第一反馈支路包括第一反馈系数可调放大器，用于放大求和积分电路的输出信号，反馈至求和积分电路的输入端；

第二反馈支路包括串联的三次方运算放大器和第二反馈系数可调放大器，用于三次方运算、放大求和积分电路的输出信号，反馈至求和积分电路。

优选地，求和积分电路由求和运算单元和积分运算单元构成；

求和运算单元，用于对经过滤波和放大处理后的待测信号、第一反馈支路和第二反馈支路的输出信号进行求和运算，输出至积分运算单元；

积分运算单元，用于完成积分运算。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种基于混沌理论的微弱信号检测系统，包括：

滤波器，用于滤除待测电信号中的杂波干扰后，输出至放大电路；

放大电路，用于将滤波后的信号放大至毫伏级，输出至如第一方面的混沌振子电路，所述混沌振子电路的输出端接参数调节测量模块；

参数调节测量模块，包括：标准信号源、分频器和控制模块；标准信号源，用于产生6GHz的标准正弦信号，输出至分频器；分频器，用于将标准信号等分为1/2、1/4…频率的信号，输出至控制模块；控制模块，用于根据分频后的信号生成扫频范围，对扫频范围内的每个频率作以下处理：

根据选中的频率调节第一反馈系数可调放大器、第二反馈系数可调放大器的放大比例系数，使得混沌振子电路处于混沌临界状态；采样此时混沌振子电路的输出信号，若输出信号的方差超过设定阈值，则待测信号包含当前选中频率的信号。

优选地，所述控制模块中包括：信号源、频率控制、相位累加器、同步累计、相干计算模块、频率控制字确定模块、数据控制字一确定模块、数据控制字二确定模块、数字电位器一和数字电位器二；

信号源和频率控制，用于产生设定频率的原始参考信号，输出至相位累加器；

相位累加器，用于获得信号源波形的相位信息，当时钟信号到来时，将上一输出的累加相位数据与当前的存储数据进行累加，同时将得到的数据存储后，再作为下一时刻的累计信号，输出至相干计算模块；

数模转换，用于采集混沌阵子电路的输出信号，输出至同步累计；

同步累计和相干计算模块，用于计算信号源经频率控制、相位累加器后产生的信号与系统输出端经数模转换采集的信号的相干性，输出至频率控制字确定模块；

频率控制字确定模块，用于根据分频器输出信号和相干计算模块输出的信号相关性，进一步判断信号的频率范围，并输出至数据信号控制一确定模块和数据信号控制二确定模块；

数据信号控制一确定模块和数据信号控制二确定模块，分别用于根据频率控制字产生数据信号控制一和数据信号控制二，发送给对应数字电位器；

数字电位器一和数字电位器二，分别由数据控制字一、数据控制字二控制，用于生成放大比例系数并输出至第一反馈系数可调放大器、第二反馈系数可调放大器，从而实现反馈回路放大倍数的调节。

优选地，分频器输出频率在0-3GHz区间自由扫描，当扫频为某一频率时系统输出信号与参考信号的互相关系数最大，当前扫频的频率即为探测信号的频率。

优选地，采用混沌系统稳态系统模型的归一化尺度变化和系统势垒高度将参数调整到适用范围：

频率尺度变换公式：

势垒高度公式：h＝a²/4b；

其中，x和y分别代表频率转换前后的信号，a和b分别表示反馈系数一和反馈系数二。

优选地，若最大李雅普诺夫特性指数大于零，则判定混沌振子电路处于混沌临界状态。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提出一种混沌振子电路，采用双反馈的信号处理结构，系统输出信号反馈到前端与输入信号求和后再对系统作用，通过调整反馈系数来调节系统对于不同频率微弱信号的敏感性，系统处于混沌临界状态时对外界周期脉冲信号极其敏感，输入信号中含有周期正弦信号时，则系统相轨迹立即发生变化从而检测出周期正弦信号。

(2)本发明提出一种基于混沌理论的微弱信号检测系统，将混沌系统应用于微弱信号检测，通过电路参数之间的匹配及混沌判断处理算法实现对微弱信号的提取，利用混沌系统对于周期变化信号的敏感性来实现频谱迁移和待测信号的提取，可靠性较高，不需要涉及噪声的分布特性，需要很少的先验知识，并且可以适用于各种类型的噪声背景。与现有的微弱信号检测方法相比，能在更低信噪比下进行检测，且检测灵敏度高，对微弱信号检测的系统和测量方法具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于混沌理论的微弱信号检测系统整体框图；

图2是本发明提供的控制模块内部结构框图；

图3是本发明提供的探测信号方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种基于混沌理论的微弱信号检测系统，包括：低通滤波、放大电路、求和积分电路、双反馈网络反馈所构成的混沌系统、参数调节及测量模块。其中，参数调节及测量模块可以通过对输出信号进行预处理来实现反馈系数的计算和调节，以期检测出更低信噪比的信号。

信号处理过程为：输入信号(1nV-20nV左右)先通过低通滤波和放大电路(10mV-50mV左右)进行信号调理，采用混沌测量技术实现输入信号的检测，混沌系统输出信号通过双反馈网络反馈到输入端求和，通过调整参数来实现基于随机共振的微弱信号检测。

从变尺度共振系统优化了系统阻尼参数和各参数之间与共振系统输出的对应关系，通过参数调节及系统对各种参数调节的敏感性设计了微弱信号检测参数调整策略，包括阻尼参数的调节和变步长等微弱信号检测的实现策略。采用变步长试探的方式实现最优点的自动搜索，通过判断系统所处的状态来判断是出于混沌状态还是大尺度周期状态来捕捉信号。可以对输入信息中存在的周期正弦信号进行搜索判断，能在极低信噪比下探测信号。

如图2所示，所述控制模块中包括：信号源、频率控制、相位累加、相干计算、频率控制字、数据控制字一、数据控制字二、数字电位器一、数字电位器二等模块，所述信号源和频率控制用于产生设定频率的原始参考信号；所述频率控制和相位累加可以获得采集波形的相位信息，可以将波形幅度和相位转换为模拟幅值和相位序列，通常参考时钟为晶体振荡器。当时钟信号到来时，相位累加器将上一输出的累加相位数据与当前的控制字进行累加，同时将得到的数据存储后再作为相位累加器的下一时刻的累计信号，再将相位累加器的输出信号与相位控制通过相加得到输出信号作为相位信息送入存储器，波形存储器通过相位/幅度转换得到对应的波形信息。

所述相干计算为窄带化技术，一般信号具有相干性而噪声没有，可以利用相干检测技术将标准信号与信号的相干信息提取出来作为参数调整的依据，正弦信号或频带很窄的窄带信号可以通过相干计算来判断信号中信号的大概频率范围，并以相敏检测为基础做相干检测，再作变频和相干积分和滤波，最后生成混沌系统参数调整系数。

所述频率控制字和数据控制字作为数字电位器的控制信息，当采样周期确定的情况下，信号的频率可以由相位增量来决定即只要确定信号的相位增量即可，窄带信号如正弦波信号，若将一个周期2π按照相位均分为M等分，则每一等分所对应的相位值为2π/M，当步进改变相位增量时每一步所对应的相位为2π/M，频率控制字可以决定信号的频率大小，以此可以计算出信号的频率分辨率和数字电位器的控制信息。

所述数字电位器一和数字电位器二可以对混沌系统的反馈网络进行参数调整，其反馈一网络将系统输出端信号反馈到输入端，其反馈二网络将系统输出端信号先做三次方运算后再反馈到输入端，两路输出信号再与输入信号经过求和积分单元后得到输出信号，两个反馈网络的系数都可以根据测试场景进行实时调整，参数调节及测量模块根据所探测到的输出信号对参数调节控制单元所控制的反馈一网络系数和反馈二网络的参数进行调整，使得混沌系统从临界混沌达到大周期运行状态，并提取出此时的信号频率信息。

输入信号先通过低通滤波和放大电路进行预处理；求和积分电路和两个反馈回路构成双反馈混沌系统，对初始条件的敏感性是混沌运动的一个基本特点，通过调整系统参数即反馈一系数和反馈二系数来改变系统特性，李雅普诺夫指数可以用来衡量这种敏感性，最大李雅普诺夫指数表示最大的特性指数值，测量系统的维数与李雅普诺夫指数的个数是相等的，系统处于混沌状态的充分条件是最大李雅普诺夫特性指数大于零。可以通过测量系统处于周期状态来确定混沌运动的临界值，此时最大李雅普诺夫特性指数小于零，而系统处于混沌状态时最大李雅普诺夫特性指数大于零，根据这一特点可以找到测量系统的临界值。混沌系统为非线性系统，其参数在一定扰动范围内变化时将会从根本上改变系统的周期变化特性，当采用非线性振子来检测微弱信号时，即是让被测信号与非线性振子处于混沌解和周期解之间的临界状态，当目标信号出现时系统状态发生转换，在强背景噪音下依然可以清晰地检测出特定频率的信号是否存在。

如图3所示，控制过程包括：系数的调整及李雅普诺夫指数的判断，李雅普诺夫指数是相空间中相近轨道的平均收敛或平均发散性的一种量，对奇怪吸引子而言，其最大李雅普诺夫指数为正的，并且最大指数越大系统的混沌性越强。根据混沌系统的动力学方程可以求出或估计出李雅普诺夫指数，以此作为系统混沌与否的重要依据并将其应用到信号检测中，通过系统辨识自动判别混沌系统是处于混沌状态，还是处于稳定周期运动状态。也就检测出输入信号中是否含有周期信号以及测量周期信号的频率。

此方法在一定程度上克服了传统信号分析方法在去除噪声的同时也削弱了目标信号的缺点，提高系统探测信号过程中的信噪比。通过混沌系统的信号频率与周期策动力相关时系统输出方差最大这一特性提高了检测的信噪比，提升了探测的可靠性和精确度。

信号检测所采用的混沌系统数学模型可以用如下方程描述：

其中，x为系统输出函数，fsinωt为待检测的输入信号，ξ(t)为加性白噪声信号，d为系统阻尼，ω₀为系统谐振频率，β为系统增益参数。通过数学变换可以得到如下方程：

式中，ξ(t)为强度大小为D的高斯白噪声，

为系统势函数。该系统中微弱周期信号、噪声和系统之间产生协同作用，一部分噪声能量向有序的信号能量发生转移，从而使得系统输出信号可在系统的两个势阱间运动，由于振动的幅度即系统稳态点和势垒之间的水平距离远大于输入周期信号的幅值，因此使得微弱周期信号经过系统后幅值得到增强，该动态系统的谱密度为：

其中，S为系统输出谱密度，Ω为系统信号变化角频率，δ(ω)为脉冲函数，表达式中，系数

当频率跟随效应和振幅增强效应产生的条件同时得到满足时，混沌系统的输出信号振动频率与输入周期信号频率相同。混沌系统中信号和噪声的频谱特性分别表示为：

信号：

噪声：

其中，S_S为信号频谱函数，S_n为噪声频谱函数，ω₀为输入信号角频率，δ(ω)为脉冲函数，当同时存在外部驱动信号和噪声时，信号给系统的势引入周期性变化抑制了系统输出状态中的噪声能量，实质上是信号和噪声在非线性混沌系统条件下的协同效应使系统输出的周期分量得到加强，提高了输出的信噪比。若外部驱动信号加噪声未满足系统静态触发条件，可以通过调整系统的结构参数来改变势垒高度，使系统输入的混合信号能量能越过势垒而发生随机共振现象，此时信噪比为：

其中，h₊为系统势垒的高度，其中f为待提取的信号频率，D为噪声强度。为保证系统对于各种频率微弱信号的敏感性，系统采用频率变尺度调节并根据不同的频率信号调节模块结构参数，实现变频信号的扫频检测并获取被测信号的频率特征信息。

基于混沌理论的微弱信号追踪及扫频电路的主要模块达到的技术指标如下：1.输入信号的频率检测范围1-200MHz；2.输入正弦信号的幅度检测灵敏度1纳伏；3.数模转换器的数据采样率达0.5GS/s；4.数据同步存储模块：采用的大容量存储芯片，内存的容量达1GB，工作电压1.5V。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混沌振子电路，其特征在于，所述混沌振子电路包括：求和运算单元、积分运算单元、第一反馈系数可调放大器、三次方运算放大器和第二反馈系数可调放大器；

求和运算单元，包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，用于对输入的各路信号进行求和，第一输入端用于接收待测信号，第二输入端、第三输入端分别连接至第一反馈系数可调放大器输出端、第二反馈系数可调放大器输出端，输出端连接至积分运算单元；

积分运算单元包括输入端和输出端，输出端连接至第一反馈系数可调放大器的第一输入端、三次方运算放大器的输入端；

第一反馈系数可调放大器包括第一输入端、第二输入端和输出端，第二输入端用于接收调整第一反馈系数的控制信号，所述第一反馈系数可调放大器用于按照调整后的第一反馈系数放大求和积分后的信号；

三次方运算放大器包括输入端和输出端，输出端连接至第二反馈系数可调放大器的第一输入端；

第二反馈系数可调放大器包括第一输入端、第二输入端和输出端，第二输入端用于接收调整第二反馈系数的控制信号，所述第二反馈系数可调放大器用于按照调整后的第二反馈系数放大三次方运算放大后的信号。

2.一种基于混沌理论的微弱信号检测系统，其特征在于，包括：

滤波器，用于滤除待测电信号中的杂波干扰后，输出至放大电路；

放大电路，用于将滤波后的信号放大至毫伏级，输出至如权利要求1所述的混沌振子电路中求和运算单元的第一输入端，所述混沌振子电路中第一反馈系数可调放大器第二输入端、第二反馈系数可调放大器输入端连接至参数调节测量模块中的控制模块；

参数调节测量模块，包括：标准信号源、分频器和控制模块；标准信号源，用于产生6GHz的标准正弦信号，输出至分频器；分频器，用于将标准信号等分为1/2、1/4…频率的信号，输出至控制模块；控制模块，用于根据分频后的信号生成扫频范围，对扫频范围内的每个频率作以下处理：

根据选中的待测频率调节第一反馈系数可调放大器、第二反馈系数可调放大器的反馈系数，使得混沌振子电路处于混沌临界状态；采样此时混沌振子电路中积分运算单元的输出信号，若输出信号的方差超过设定阈值，则待测信号包含当前选中频率的信号。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制模块中包括：信号源、频率控制、相位累加器、同步累计、相干计算模块、频率控制字确定模块、数据控制字一确定模块、数据控制字二确定模块、数字电位器一和数字电位器二；

信号源和频率控制，用于产生设定频率的原始参考信号，输出至相位累加器；

相位累加器，用于获得信号源波形的相位信息，当时钟信号到来时，将上一输出的累加相位数据与当前的存储数据进行累加，同时将得到的数据存储后，再作为下一时刻的累计信号，输出至相干计算模块；

数模转换，用于采集混沌阵子电路的输出信号，输出至同步累计；

同步累计和相干计算模块，用于计算信号源经频率控制、相位累加器后产生的信号与系统输出端经数模转换采集的信号的相干性，输出至频率控制字确定模块；

频率控制字确定模块，用于根据分频器输出信号和相干计算模块输出的信号相关性，进一步判断信号的频率范围，并输出至数据信号控制一确定模块和数据信号控制二确定模块；

数据信号控制一确定模块和数据信号控制二确定模块，分别用于根据频率控制字产生数据信号控制一和数据信号控制二，发送给对应数字电位器；

数字电位器一和数字电位器二，分别由数据控制字一、数据控制字二控制，用于生成放大比例系数并输出至第一反馈系数可调放大器、第二反馈系数可调放大器，从而实现反馈回路放大倍数的调节。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，分频器输出频率在0-3GHz区间自由扫描，当扫频为某一频率时系统输出信号与参考信号的互相关系数最大，当前扫频的频率即为探测信号的频率。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，采用混沌系统稳态系统模型的归一化尺度变化和系统势垒高度将参数调整到适用范围：

频率尺度变换公式：

势垒高度公式：h＝a²/4b；

其中，x和y分别代表频率转换前后的信号，a和b分别表示反馈系数一和反馈系数二。

6.如权利要求2至5任一项所述的系统，其特征在于，若最大李雅普诺夫特性指数大于零，则判定混沌振子电路处于混沌临界状态。

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