基于Duffing混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測裝置的微弱信號檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微弱信號檢測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在信息通信的過程中，信號很容易淹沒在噪聲中，這就使得我們在檢測這些信號的過程時變得很困難，為了很好的抵消強噪聲對淹沒在噪聲中信號的干擾，人們一直在研宄信號檢測方法。微弱信號檢測是一門新興的學(xué)科，主要研宄將微弱信號從強噪聲背景下檢測出來的原理和檢測方法，在很多學(xué)科都有應(yīng)用，如:物理、化學(xué)、電化學(xué)、機械、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探、水聲探測、雷達、通信等各個領(lǐng)域。由于微弱信號檢測主要是將淹沒在強噪聲下的微弱信號檢測出來，是現(xiàn)代通信領(lǐng)域重要的研宄方向。尤其是在通信過程中，收發(fā)雙發(fā)都使用的是高頻信號，為了防止非合作方竊取、攔截合作方信息，都會將信號隱藏在強噪聲中，這就要求接收方要有很好的微弱信號檢測的能力，因此微弱信號檢測技術(shù)應(yīng)運而生。微弱信號檢測技術(shù)的關(guān)鍵是抑制噪聲，增強有用信號，提高信噪比。微弱信號檢測技術(shù)在基于線性理論和平穩(wěn)噪聲的基礎(chǔ)上形成了最佳的檢測原理和方法，在不同情況下，通過對信號和噪聲的統(tǒng)計特性，參照最佳檢測原理，尋找適當?shù)臋z測方法。限制傳統(tǒng)經(jīng)典信號檢測理論廣泛應(yīng)用的主要原因是在實際信號和噪聲處理過程中，如在通信、雷達、聲納、故障檢測等實際問題中，背景噪聲非常復(fù)雜，與理論存在著很大的差距。
[0003]非線性科學(xué)正處在科學(xué)前沿，在自然界和社會現(xiàn)象中很多涉及到非線性問題，而用非線性模型來研宄客觀世界是現(xiàn)在科學(xué)發(fā)展的趨勢，非線性理論已深入到很多門類學(xué)科中。混沌理論是非線性科學(xué)的一個重要分支，從上世紀70年初，混沌理論逐漸被科學(xué)界熟知，由于其對噪聲的免疫性和對信號的敏感性，吸引了廣大科研工作者的注意。從90年代起，混沌理論被用來微弱信號檢測，其對噪聲的免疫性，使檢測方法不涉及噪聲的分布特性，在各種噪聲背景下都可以應(yīng)用，這為混論理論的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域，同時開辟了微弱信號檢測的新途徑。
[0004]現(xiàn)在的大多數(shù)微弱信號檢測的理論和方法都是在理論層次上提出，在軟件上仿真驗證其理論的正確性，卻很少有人在硬件上驗證微弱信號檢測理論在現(xiàn)實應(yīng)用中的可行性，除此之外，大多數(shù)微弱信號頻率檢測算法并不適合在硬件上實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有微弱信號檢測的方法沒有在硬件上驗證在現(xiàn)實應(yīng)用中的可行性，現(xiàn)有的微弱信號檢測算法不適合在硬件上實現(xiàn)的問題，提供了一種基于Duffing混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測裝置的微弱信號檢測方法。
[0006]本發(fā)明所述基于DufTing混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測裝置的微弱信號檢測方法，該微弱信號檢測方法基于DufTing混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測裝置實現(xiàn)，該微弱信號檢測裝置包括信號發(fā)生器、ADC、FPGA, USB芯片和上位機，信號發(fā)生器的微弱信號輸出端連接ADC的微弱信號輸入端，ADC的采樣信號輸出端連接FPGA的采樣信號輸入端，F(xiàn)PGA的檢測信號輸出端通過USB芯片連接至上位機；
[0007]微弱信號檢測方法的具體過程為:
[0008]步驟1、信號發(fā)生器產(chǎn)生微弱信號并將此微弱信號發(fā)送至ADC ;步驟2、ADC采樣后將數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA ；
[0009]步驟3、FPGA將接收的數(shù)據(jù)作為Duffing方程的輸入，利用波峰差值檢測算法計算Duffing方程的數(shù)值解；
[0010]步驟4、FPGA根據(jù)步驟3獲取的數(shù)值解判斷當前狀態(tài)，進而獲取輸入信號的頻率；
[0011]步驟5、FPGA將步驟4獲取的檢測結(jié)果通過USB芯片發(fā)送至上位機。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點:⑴本發(fā)明采用Duffing方程為理論基礎(chǔ)。Duffing混沌系統(tǒng)具有對噪聲免疫性和對初值敏感性，將系統(tǒng)調(diào)到混沌向周期跳變的臨界狀態(tài)，只要輸入的弱信號的頻率與周期策動力頻率相同，就會使系統(tǒng)從周期態(tài)變?yōu)榛煦鐟B(tài)。在周期策動力頻率掃頻時，只有該頻率與信號頻率相同時系統(tǒng)進入周期態(tài)，其它情況都是混沌態(tài)，這樣提出了一種適合硬件實現(xiàn)的頻率點識別算法一一波峰差值檢測法，通過該方法在硬件上實現(xiàn)微弱信號的頻率點識別。(2)硬件實現(xiàn)部分信號發(fā)生器使用Agilent公司生產(chǎn)的型號為E4438C的信號發(fā)生器，ADC芯片型號為AD9280，F(xiàn)PGA芯片選擇了 Xilinx公司的Virtex 2芯片，USB芯片是Cypress公司的FX2系列的CY7C68013。整個實驗系統(tǒng)如圖1所示。工作過程是信號發(fā)生器產(chǎn)生一微弱信號；通過ADC采樣后將數(shù)據(jù)傳給FPGA，作為FPGA內(nèi)部DufTing方程的輸入，用波峰差值檢測算法計算DufTing方程的數(shù)值解，來判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，一次掃頻過后判斷出輸入信號的頻率；將檢測結(jié)果通過USB2.0傳送到電腦中，給出一個明確可視的檢測結(jié)果。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是該系統(tǒng)有效的利用了現(xiàn)有的硬件設(shè)備，可以適應(yīng)系統(tǒng)演示驗證的需要。并且該系統(tǒng)基于FPGA實現(xiàn)了微弱正弦信號、微弱BPSK信號檢測、微弱正弦信號頻率點識別的硬件實現(xiàn)，并提出了一種適合硬件實現(xiàn)的微弱信號頻點識別的算法，該算法只涉及到了比較、加減運算，計算量很小，對器件資源的要求也很小，適合在硬件上實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明所述基于Duffing混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測裝置的原理圖；
[0015]圖2是硬件仿真驗證步長為Ik時、輸入頻率129kHz的結(jié)果示意圖；
[0016]圖3是硬件仿真驗證步長為Ik時、輸入頻率130kHz的結(jié)果示意圖；
[0017]圖4是硬件仿真驗證步長為Ik時、輸入頻率132kHz的結(jié)果示意圖；
[0018]圖5是不加信號時Duffing系統(tǒng)數(shù)值解X的示意圖形；
[0019]圖6是加微弱信號后Duffing系統(tǒng)數(shù)值解X的示意圖形；
[0020]圖7和圖8是波峰檢測的結(jié)果示意圖；
[0021]圖9是和圖10是波峰最大值的檢測結(jié)果示意圖；
[0022]圖11和圖12是波峰最小值的檢測結(jié)果示意圖；
[0023]圖13和圖14是波峰最大值和波峰最小值的差值的檢測結(jié)果示意圖；
[0024]圖15是頻率為125kHz的輸入信號的檢測結(jié)果示意圖；
[0025]圖16是Matlab中對頻率為125kHz的輸入信號的數(shù)據(jù)處理結(jié)果；
[0026]圖17是Matlab中對頻率為126kHz的輸入信號的數(shù)據(jù)處理結(jié)果；
[0027]圖18是無信號輸入的檢測結(jié)果。
【具體實施方式】
[0028]【具體實施方式】一:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述基于Duffing混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測裝置的微弱信號檢測方法，該微弱信號檢測方法基于DufTing混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測裝置實現(xiàn)，該微弱信號檢測裝置包括信號發(fā)生器1、ADC2、FPGA3、USB芯片4和上位機5，信號發(fā)生器I的微弱信號輸出端連接ADC2的微弱信號輸入端，ADC2的采樣信號輸出端連接FPGA3的采樣信號輸入端，F(xiàn)PGA3的檢測信號輸出端通過USB芯片4連接至上位機5 ;
[0029]微弱信號檢測方法的具體過程為:
[0030]步驟1、信號發(fā)生器I產(chǎn)生微弱信號并將此微弱信號發(fā)送至ADC2 ;步驟2、ADC2采樣后將數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA3 ;
[0031]步驟3、FPGA3將接收的數(shù)據(jù)作為Duffing方程的輸入，利用波峰差值檢測算法計算Duffing方程的數(shù)值解；
[0032]步驟4、FPGA3根據(jù)步驟3獲取的數(shù)值解判斷當前狀態(tài)，進而獲取輸入信號的頻率;
[0033]步驟5、FPGA3將步驟4獲取的檢測結(jié)果通過USB芯片4發(fā)送至上位機5。
[0034]【具體實施方式】二:下面結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，步驟3所述利用波峰差值檢測算法計算Duffing方程的數(shù)值解的具體過程為:
[0035]步驟3-1、設(shè)數(shù)組為a;
[0036]步驟3-2、對數(shù)組a做逐差，獲得數(shù)組b ;
[0037]步驟3-3、取數(shù)組b中每個數(shù)的符號，獲得數(shù)組c ;
[0038]步驟3-4、對數(shù)組c做逐差，獲得數(shù)組d ;
[0039]步驟3-5、取數(shù)組d中小于O的數(shù)，獲取小于O的數(shù)在數(shù)組d中位置的數(shù)值；
[0040]步驟3-6、將步驟5獲取的數(shù)值均加1，即為數(shù)組a中波峰值所在的位置；
[0041]步驟3-7、根據(jù)步驟6中獲取的波峰值所在的位置獲取數(shù)組a的波峰值，獲得Duffing方程的數(shù)值解。
[0042]本實施方式中，設(shè)數(shù)組a = [2，4，_1，5，6，2，3]，獲得數(shù)組3的峰值為4和6;對數(shù)組a做逐差，獲得數(shù)組b= [2，-5，6，1，-4，I];取數(shù)組b的每個數(shù)的符號，獲得數(shù)組c =[I, -1, 1，1，-1, I];對數(shù)組c做逐差，獲得數(shù)組d = [-2，2，O, -2，2];獲得數(shù)組d中小于O的數(shù)，獲取小于O的數(shù)在數(shù)組d中位置的數(shù)值:數(shù)組d中小于O的-2分別為第一位和第四位，即取I和4 ;將步驟5獲取的數(shù)值均加I即為數(shù)組a中波峰值所在的位置:數(shù)組a中波峰值所在的位置為第二位和第四位。驗證了本實施方式所提出的方法是正確的。
[0043]【具體實施方式】三:下面結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式對實施方式二作進一步說明，F(xiàn)PGA3根據(jù)步驟3獲取的數(shù)值解判斷當前狀態(tài)，進而獲取輸入信號的頻率的具體過程為:
[0044]步驟4-1、根據(jù)步驟3-7獲取的數(shù)組a波峰值獲得數(shù)組a波峰值的最大值和最小值，并將最大值和最小值做差，獲得最小波峰值差值；
[0045]步驟4-2、根據(jù)最小波峰值差值判斷周期態(tài)所在的頻率點；
[0046]步驟4-3、查詢周期態(tài)對應(yīng)的周期策動力頻率；
[0047]步驟4-4、根據(jù)周期策動力頻率獲取該狀態(tài)下的輸入信號頻率:輸入信號頻率與周期策動力頻率相等。
[0048]本實施方式中，由于混純態(tài)時的最小波峰差值遠遠大于周期態(tài)時的最小波峰差值，在周期策動力掃頻過程中，只有周期策動力頻率與輸入信號頻率相同時，系統(tǒng)變?yōu)橹芷趹B(tài)，因此，獲得最小波峰差值，就能夠獲得該狀態(tài)下對應(yīng)的周期策動力頻率。
[0049]下面結(jié)合圖1-圖18說明本發(fā)明的工作原理:
[0050]本發(fā)明所述基于Duffing混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測裝置包括信號發(fā)生器1、ADC2、FPGA3、USB芯片4和上位機5，主要目的是對從信號發(fā)生器I輸出的微弱正弦信號，在輸入FPGA3中編寫的DufTing混沌系統(tǒng)后，經(jīng)過波峰差值檢測算法后判斷何時系統(tǒng)處在周期態(tài)，進而識別出微弱正弦信號的頻率，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。
[0051]Xilinx公司和Mathworks合作開發(fā)的System Generator是一款FPGA的設(shè)計工具?？捎么斯ぞ弑硎疽桓叨瘸橄蟮哪K，并且映射為FPGA內(nèi)部一個工程的模塊，SystemGenerator是內(nèi)嵌在matlab的Simulink中進行工作的。使用時只需要在Simulink中完成模型的搭建，啟動運行，System G