（电子科学与技术专业论文）掺铒光纤弱信号混沌检测系统研究.pdf

a b s t r a c t w e a ks i g n a ld e t e c t i o no fs i g n a jp r o c e s s i n gh a sb e e na ni m p o r t a n ts u b j e c tf o ra l o n gt i m e ，a n da l s ob e e nt h o u g h tb yd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sa st h eh o ta n d d i f f i c u l ts u b j e c le s p e c i a l l yf o rw e a ks i n u s o i d a ls i g n a ld e t e c t i o ns t u d yw h i c hn o to n l y h a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oi sv e r yi m p o r t a n tf o ru st od e t e c tw e a k s i g n a li ns t r o n gn o i s ee n v i r o n m e n t ，t od e t e c ta n de x t r a c tu s e f u lw e a ks i g n a li sa l s oa c r i t i c a lt e c h n o l o g yi nr a d a r , s o n a r , v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，f a u l td i a g n o s i s ， c o m m u n i c a t i o na n db i o m e d i c a lf i e l d sh a v eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t o d a yt h e r e h a sb e e nt h ep r i n c i p a lm e a n so fd e t e c t i o n ：b a s e do nf o u r i e ra n dw a v e l e tt r a n s f o n ni n f r e q u e n c y d o m a i n p r o c e s s i n g m e t h o d ，t i m e - d o m a i n a u t o c o r r e l a t i o n a n d c r o s s c o r r e l a t i o nd e t e c t i o nm e t h o d s t o c h a s t i cr e s o n a n c ed e t e c t i o nm e t h o da n ds oo n a n di nt h em o s tr e c e n td e c a d e s ，w i t ht h en o n - l i n e a rs c i e n c e sd e v e l o p m e n t ，f o r d e t e c t i n gw e a ks i g n a l su n d e rs t r o n gn o i s ee n v i r o n m e n t ，t h ec h a o t i co s c i l l a t o rw h i c h h a s g r a d u a l l yb e c o m ean e wm e t h o df o rd e t e c t i n gw e a ks i g n a l s ，a n d h a sn e w a p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h ec h a o t i co s c i l l a t o rd e t e c t i o ns y s t e m ，i fw ei n t r o d u c et h e s i g n a li n t ot h ec h a o t i co s c i l l a t o ro ft h es y s t e ma s ap e r t u r b a t i o np a r a m e t e r , t h e c o m p u t e rc o u l dd e t e r m i n et h ee x i s t e n c eo fas p e c i f i ca n a l y t i cs i g n a l st h r o u g ht h e c h a n g eo ft h es t a t eo ft h es y s t e mt o o ，w h i l ey o uc a ne x t r a c tt h es i g n a la m p l i t u d e ， f r e q u e n c ya n do t h e rp a r a m e t e r si no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fe x t r a c t i n gt h e s i g n a l i nt h i sp a p e r , f r o mas y s t e mp e r s p e c t i v et oa n a l y z ea n dd e s i g na ne r b i u m d o p e d f i b e ru s e df o rt r a n s m i s s i o no ft h ew e a ks i g n a ld e t e c t i o ns y s t e m ，c o m b i n e dw i t ht h e t r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d ：a u t o c o r r e l a t i o nm e t h o da sp r e - t r e a t m e n to fm e a s u r e d s i g n a l s i no r d e rt oa c h i e v et h er i g h tw e a ks i g n a l so fu n k n o w nb u r i e di ns t r o n g b a c k g r o u n dn o i s e ，a n dt oi m p r o v et h es i g n a lt on o i s er a t i o ，b e c a u s eo fc h a r a c t e r so f t h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n ：l o w - l o s s ，l o n g d i s t a n c ea n ds t r o n gr e s i s t a n c e t o e l e c t r o n i ci n t e r f e r e n c e e r b i u m d o p e df i b e ri su s e dh e r ea saw e a ks i g n a lt r a n s m i s s i o n m e d i u m i nt h eh a l f - w a yt h r o u g ht h er o l eo fe r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e rt oa c h i e v ea l o n g d i s t a n c ea l l o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ，c o m p a r e d 诚t 1 1t h et r a d i t i o n a lp h o t o e l e c t r i c m o d e ，r e d u c i n gt h eh a l f - w a ys i g n a ll o s s ，a n di sa ni m p o r t a n ts t e po ft h ea l l o p t i c a l n e t w o r k t h em a i nt e c h n i c a lc o n t a i nd e s i g n i n gah i g h - p r e c i s i o n ，r e a l - t i m em e t h o d ： i u d g r n e n t o fc h a o t i ct h r e s h o l db e t w e e nc h a o t i cs t a t ea n dp e r i o d i cs t a t ef o r c h a o s - b a s e dw e a ks i g n a ld e t e c t i o ns y s t e mt oju d g et h et h r e s h o l do ft h es t a t eo f c h a o t i ca n dt h ec y c l e s ，w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g y , i nt h ea s p e c to ft h ew e a ks i g n a l i i f r e q u e n c yt e s t s ，a n a l y z ea n di m p r o v et h ed e t e c t i o no fi n t e r m i t t e n tc h a o sa n dc y c l e m e t h o da n dd e s i g nan e w b i ga m p l i t u d ei n t e r m i t t e n tc h a o sa n dc y c l e m e t h o d i nt h e l a s t , i nt h ea s p e c to fa m p l i t u d ed e t e c t i o nih a v ed e s i g n e dan e w , h i g h l ye f f e c t i v e d e t e c t i o na l g o r i t h m e s p e c i a l l yid oa ni n - d e p t hr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t s0 1 1t h e r e a l t i m ed e t e c t i o na n da l g o r i t h m i c c o m p l e x i t yi s s u e sw h i c hh a st r o u b l e dt h e t r a d i t i o n a lw e a ks i g n a ld e t e c t i o n a n da tt h es a m et i m eal a r g en u m b e ro fs i m u l a t i o n s t u d i e sh a v eb e e nd o n et oc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h er e s u l t s k e yw o r d s ：w e a ks i g n a ld e t e c t i n g c h a o t i co s c i l l a t o rc r o s s - c o r r e l a t i o n d e t e c t i n g t h r e s h o l do ft h es t a t eo fc h a o t i c e r b i u m d o p e df i b e r i i i 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，掺铒光纤弱信号混沌检测系统研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年一月一日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 年一月一日 砌牵3 月名 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 在信息化速度越来越快的今天，信息的传递显得越来越重要，作为信息的载 体，各种信号的准确接受与识别就显得尤为重要，比如在工业设备控制中，特别 是在精密仪器制造业，控制的精确性要求是非常高的，但是由于多种原因制造环 境往往充满了各种噪声，如何准确识别控制信号是一个非常重要的问题。又如在 通信中，如果所处环境非常复杂，那么被测信号往往被各种嘈杂的噪声所污染， 很多时候体现在信号已经淹没在噪声当中，普通检测手段已经无法发挥其作用， 因此怎样将微弱信号从噪声当中检测和提取出来越来越受到业界的重视。微弱信 号检测虽然是一门新兴的技术学科，但是其身影已遍及光传输、雷达信号处理、 生物医学、工业控制、地质勘测等领域。基于微弱信号的检测技术也已日渐成为 独立的一门专业性学科。其主要目的是从噪声中提取有用信号，或通过一些技术 方法来改善系统的信噪比。本文首先在论述以及分析微弱信号检测技术的发展历 史以及现状的基础上，对比各种现有的微弱信号检测技术，选取d u f f i n g 振子混 沌检测方法作为基本原理进行分析改进，设计一套基于铒光纤的弱信号检测系统 并对微弱信号检测主系统进行设计。 具体来说，在通信中，如矿井的环境多变而且复杂，那么井下的通信会面临 普通通信所没有遇到的一系列难题，最主要的是噪声干扰强，会严重影响井下正 常的通信，而矿井条件下又对通信的可靠性有要求非常高，因为通信的质量会直 接影响到井下工作人员和国家财产的安全，现有的很多通信手段与通信技术在这 种情况下都得不到很好的效果，因此目前并没有一个主流的井下通信方式，我国 煤矿井下通常采用无线通信方式，其主要分为动力线载波通信、感应通信、漏泄 通信以及甚高频无线电通信等。但是除了泄露通信质量较高外其他通信方式都存 在着通话质量较差的问题，但是泄露通信设备铺设价格非常高，并不适用于大面 积铺设，因此业界急需一种新的弱信号检测技术以提高话音质量以及通信系统传 输的稳定性。而在军事上，通常雷达波由于天气以及环境的影响，尤其是被测目 标较小或是反隐性较强都会对回波信号的检测提出较高的要求，并且在现代战争 中，海陆空各个战场都与雷达密切相关，因此实战环境中会充斥着数以千计的雷 达波信号，如何能从各种复杂的雷达波信号中分辨提取出所需要的弱信号是雷达 信号处理中的一项关键技术，另外在工业制造上，弱信号检测也有很多应用，对 于在各种噪音混杂的厂房中实施精确控制也是必不可少的。 对于检测装置与被测对象距离较远的情况下，目前比较成熟的传输技术是电 缆或无线传输，但是无线传输虽然设备架设方便，但存在传输速率有限，传输精 度不高，抗干扰性弱等缺陷，对于如何提高微弱信号检测质量，现在提出了很多 基于光电检测的方法，在下文中将要提出的弱信号检测系统中就采用了掺铒光纤 作为其传输的介质。 1 2 国内外研究现状 混沌理论是近代以来非线形科学里最重要的成就之一，与相对论、量子力学 一起被称为二十世纪物理学的三大重要革命儿引，其出现被誉为非线性科学领域 中的“第三次革命”，混沌理论自本世纪六十年代以来，综合了各门以非线性为 特征的分支学科的理念。非线性科学涉及了自然科学和社会科学的几乎所有领 域，并且非线性理论正在改变人们对现实世界的传统看法，非线性科学已经被证 明是最接近真实世界的科学，其研究不仅具有重大的科学意义，而且对我们生存 环境中的许多问题以及人类发展中的很多问题的解决都具有非凡的实际意义。由 非线性科学所引起的对传统的确定论的颠覆，人们对于许多原有的物理概念有了 新的认识，并形成了新的自然科学观，这是整个人类思维德一个重大转变。 混沌理论到目前为止并没有一个比较严格的学科定义，简单的说，就是在一 个非线性系统当中，在某些初始条件可以确定的条件下，随着时间演变，系统的动 力学行为表现出一些类随机性的特点，那么就可以说出现了混沌现象，也就是说 系统具有混沌性。混沌系统不只是表现为外在的类随机性，它还具有很多其他特 性如轨道不稳定性( 非周期性) 、初始条件的敏感依赖性、长期行为不可预测性、 分形的性。在统计学中还表现为遍历性。虽然对于混沌理论的研究已有几十年的 历史，但是以往的很多研究都处于理论研究与论证阶段，与其他学科也没有很多 交叉性研究，因此近年来混沌理论作为非线性科学领域的一个重要学科仍旧为众 多学者所关注和研究晦1 。混沌一词最早出现在牛津学生字典中被解释为完全无序 无形。混沌一词作为科学名词最早出现于1 9 7 5 年，混沌理论作为二十一世纪三 大科学革命之一，与量子力学、相对论所齐名，自产生以来形成的巨大影响波及 到各领域，尤其是在经济领域，相对论消除了空间和时间的绝对性，量子力学消 除了牛顿力学中的可控测量，而混沌理论则消除了拉普拉斯关于决定论以及可预 测的幻想悔。随着人类社会各项科学的进展以及人们对世界更加深入的认识，混 沌理论必然将会在复杂的系统领域发挥越来越重要的作用。 物理学自产生至今己经经历了三百多年，在这其中大部分时间占统治地位的 是牛顿的经典力学。这些理论的一个共同点都是以确定论作为基础的，确定论使 物理学能够以预测的方式得到将来的结果，许多科学家因此把科学和预测的准确 性等同起来。确定论的一个重要代表观点就是只要知道系统的具体形式以及其初 始条件。那么通过计算就可以知道它之后的所有运动状态。随后量子力学的出现 使人们对确定论产生了怀疑，起因在于对一些细微物理现象的解释中量子物理学 与牛顿经典力学是相矛盾的，这就促使人们使用新的思想去思考一些物理现象。 混沌理论首先在物理学和数学领域中产生，气象学家l o r e n z 在一次偶然事件中发 现，气象预测中一个微小的数据误差会带来与原来截然不同的结果，这就促使他 在对多方面进行研究和总结后，于1 9 6 3 年率先提出了混沌这个概念口1 。过去物理 学研究问题仅仅局限于线性方程，研究的解也仅限于单调的、光滑的，但是非线 性问题的解是具有多样性的，甚至是奇异的。混沌系统具有普通系统所没有的很 多特性，虽然混沌现象很早就为人们所认识，但是人们往往将其作为系统的弊端 加以克服，其向人们展示的都是其有害的一面，近几十年来随着研究的深入，很 多学者充分利用混沌系统的特性将其应用到许多科学技术当中，检测就是其应用 的一个很好例子，许多检测技术就是利用混沌系统的初值敏感性和长期不可预测 性来达到普通检测手段无法达到的检测精度。很多技术已经应用到电子、物理、 通信、经济、医学等领域，并取得了很多可喜的成果与应用。 混沌最早应用在检测方面是通过开展混沌测量电路耦合及降噪技术的研究， 国外也是最近几年开始发展起来的，b r o w nrc s j 于1 9 9 2 年提出可以利用混沌系统 的初值敏感性来检测电压或电流的微小量，之后也有很多学者开展了相关领域的 研究。 y u n g c h i a h a i s o 旧1 在2 0 0 2 在非线性非自治系统y = g ( 只g ，2 万n ) 和d u f f i n g 振子系统模型上成功求得了系统的各个状态阈值。他采用的猎取法，具有多轨迹 运算的功能，由于算法相对简单，所以步骤可由计算机自动完成求解，并且耗时 相对以往算法要短得多。 a v e n k a t e s a n 和s p a r t h a s a r a t h y 嘲于2 0 0 3 年用对数图和相轨迹图分析了 系统的动力学行为和奇异吸引子，并将周期脉冲策动力加入d u f f i n g 振子系统 中，成功观测到了单周期、倍周期、多周期，以及最后的混沌态，第一次实现了 混沌系统各个状态的辨别。 在信号分离技术领域，s a t is ht s ，b u k - k a p a t n a m a n 们在2 0 0 3 年通过向量模 型的n m ( n e i g h b o r _ h o o dm e t h o d ) 算法将混沌信号从混合信号中提取出来。该方 法证明了一个对于日后弱信号检测至关重要的混沌系统特性：噪声对于混沌系统 的状态变化并无影响，只有固定周期信号才会对系统的状态变化产生影响。在以 上研究的基础上，s a t i s ht s ，b u k k a p a t n a m a 提出了改进m w m ( m o d i f i e dw a v e l e t m e t h o d ) 算法，此算法对于信号的分离效果要比原算法好得多。其主要用于传感器 上的数据分离上。 混沌检测是一种与现有的各种传统检测方法完全不同的信号处理检测方法。 其实现原理是基于混沌系统的初值敏感性，当被检测信号导入混沌系统后，就会 引起混沌系统的动力学行为如系统相轨迹发生很大变化，如果将这种变化进行量 化和相关处理，通过规则变换，检测出待测信号的各种参数，如频率，幅值，相位 世 号子。 基于混沌原理进行信号检测以及幅值测量，在国内开展的比较早，浙江大学 的王冠宇在1 9 9 7 年利用d u f f i n g 方程进行微弱信号幅值的测量。首先通过将内 置周期策动力的幅值的调节至系统混沌大周期态临界值，然后将被检测信号加入 到系统中，如果此时系统状态发生变化，那么就说明有信号加入到系统当中。此 时系统的状态将变为周期运动状态，然后通过设定一个幅值递减步长，逐渐降低 周期策动力的幅值，使系统再次回到临界混沌状态，那么这个步长递减的总数值 就是待测信号的幅值。经过大量仿真实验都能得到很好的结果，误差能控制在 0 0 0 0 2 左右，误差产生的主要原因是系统处于混沌周期态的阈值很难确定，所以 临界值的精确确定方法是一个亟待解决的难题。 燕山大学的张淑清等在2 0 0 1 年在原d u f f i n g 方程的基础上建立了一个高频 超声检测系统模型，通过仿真实验得出结果的相对误差为0 0 9 ，此种方法相比 较传统检测手段，方法简单，硬件的实现的要求较低，软件的可靠性高，但混沌系 统从混沌状态到大尺度周期态的阈值仍然很难得到更加精确的值，从而给实验带 来了一些误差。 吉林大学的李月等学者口妇在2 0 0 1 年仿真实验中证明：利用d u f f i n g 振子构造 的混沌检测系统可以将强噪声中的微弱周期信号检测出来。实验中把仿真系统制 造的高斯噪声信号加入到d u f f i n g 检测系统中，加入前后系统的状态并没有产生 明显变化，这说明混沌系统对高斯噪声具有免疫力。但是当加入混有噪声的待测 周期信号时，由于检测系统对周期信号非常敏感，所以可以将周期性待测信号检 测出来，可以达到的信噪比是- 8 8 4 5 d b 。更进一步将不同频率的方波信号加入检 测系统，系统状态仍然没有太大变化，因此可以证明系统只对与本系统策动力同 频率的周期待测信号敏感，这个特性就使得特定频率的信号检测实现成为了可 能。 西安交通大学的赵向阳1 于2 0 0 2 年利用d u f f i n g 信号检测系统成功检测到 传感器信号的频率，并发现混沌系统要想从深度混沌跳出需要加入大幅值周期策 动力，这被称为共振锁频现象。 基于混沌原理进行信号的物理量测量是弱信号检测的另一个主要分支，国内 也有许多大学的学者对此进行研究，现在已经成熟的技术主要有以电容或电感为 敏感元件的恒压式震荡电路以及恒流式震荡电路，许碧荣n 2 1 提出的电感式混沌 测量以及童勤业隋1 的电容式测量都在理论上的到了较好的论证，但是对于混沌初 值的敏感性要求尽可能降低噪声和测量精确度的矛盾问题并没有一个理想的方 法来解决，曾以成等人叫提出了通过耦合混沌测量系统来抑制噪声，通过仿真证 明是一个行之有效的方法，但是在抑制噪声的过程中也需要考虑精确度的问题， 最近发表的许多论文中也提出了许多不同耦合方式的电路，哪种偶合方式最好， 是否存在其他降噪手段都是混沌检测理论在发展过程中急需解决的问题。 人从外界获取信息是通过入的生物感官，通过这些器官，人可以感知图像，声 音，热度等等，那么传感器的诞生就是为了更加精确的感知各种物理量，在当今的 信息化时代下，通过传感器可以更快更精确的获取信息。近几年，全球工业领域中 各种传感器的产量和年增长率均保持在1 0 以上，目前全球有4 0 多个国家，6 0 0 0 多个机构正在从事传感器的研发工作，。作为当今世界迅猛发展的技术之一，传感 器技术已经被各国如美、日、英、法、德列为国家重点开发项目之一。这其中以 美、日的研究比较成熟，比较著名的有美国霍尼韦尔公司、福克斯波洛公司与荷 兰飞利浦等等，尤其是近几十年来，传感器朝着高灵敏、精巧、高适应性、智能 化和网络化方向发展。虽然在整个市场份额当中光纤传感器只是占有一小部分， 但是由于其具有相对传统传感器来说更加优越的性能而备受青睐，其具有体积 小、重量轻、抗电磁干扰强、防腐蚀、灵敏度高、测量带宽宽、检测设备可以与 传感器间隔很远等优点，同时可以构成传感器网络。特别是其灵敏度相比传统的 传感器要高好几个数量级，检测范围可以延伸至测量压力、温度、应力( 应变) 、 磁场、折射率、形变、微震动、微位移和声压等等，因此现如今能用光纤传感技 术测量的物理量已达到了7 0 余种。 1 9 9 7 年美国海军研究所的查尔斯戴维斯博士主持开展f o s s 一光纤传感器的 研究，从此以后，传感器逐渐进入学者们的科研范畴，传感器的发展经历了很长 时间，也经受了很多挫折，早期的应用前景并不明朗，主要是早期的传感器价格 昂贵，结构复杂。但是其无以伦比的优势如抗电磁干扰、耐高温高压等还是促使 很多国家大力加强对其的研发投入。在1 9 7 8 年，加拿大渥太华通信研究中心成功 地研发了第一根光纤光栅，1 9 8 8 年，m e l t z g 博士发明了光纤光栅紫外光侧写入 技术，将光纤光栅的实用化向前推进了一大步，从此在工程当中出现了更多的光 纤传感器。到了2 0 世纪9 0 年代，光纤传感器不断的产业化、商业化，出现了各种 各样的传感器。 我国早在2 0 世纪6 0 年代就开始了传感器制造工业化的步伐，在1 9 7 2 年组 建了很多传感器生产单位，1 9 7 4 年，我国成功研制了第一个实用压阻式压力传 感器，1 9 7 8 年，固态压阻加速度传感器成功问世，1 9 8 2 年我国开始了硅微机械 系统( m e m s ) 加工技术和s o i ( 绝缘体上硅) 技术的研究。在8 0 年代末我国将 传感器的研究列入了国家重点发展的高新技术之一，虽然我国目f i 对于传感器的 研究相比国外还有差距，但是我国的产业化步伐已经在逐年加快。 5 1 3 论文的主要内容 本论文的主要目的是设计一款基于掺饵光纤传输的弱信号检测系统，如下将 进行简要介绍： 本次设计采用基于光传感器与铒光纤的弱信号检测系统，目前对于强噪声环 境下的弱信号检测一般都采用基于混沌原理的弱信号检测方法，而通常所说的信 号检测一般分为信号的提取和测量，信号的提取主要是利用混沌系统对某些参数 的初值条件的极度敏感性，当将被检测信号注入混沌系统后，就可导致此混沌系 统的动力学行为发生巨大变化，那么就可以根据这种变化，通过适当的信号分析 与处理，检测出待测信号的各种参数，如频率，幅值和相位等。目前，常用的检测 微弱信号的混沌模型为间歇混沌模型一d u f f i n g 振子n3 j 。其主要检测原理是通过 判断混沌系统的状态变化达到检测目的的，间歇性混沌现象是指系统在混沌态与 周期态之间互相转换，实现手段是通过控制系统的某个参数在某个阈值附近左右 反复，此时系统的状态将在周期和混沌态两态之间处于振荡状态。本文中就是利 用此方法提出一种改进型间歇大尺度周期检测法实现更宽频率范围的信号检测。 很多学者通过实验证明：它对白噪声和与参考信号频差较大的周期干扰信号具有 较强的免疫力，基于混沌系统的这个特性，很多学者提出了一种新的有效检测微 弱信号的方法。而信号的测量则主要是通过测量信号的电压或电流值，其原理是 基于混沌系统的初值敏感性和参数敏感性，初值和参数敏感性是指，当混沌系统 的初值和参数有一微小变化时，经过一定时间的系统演化，其混沌运动轨道也将 发生显著的变化，通过测量相邻轨道之间的距离来获得测量值，混沌测量具有极 高的灵敏度和极高的分辨率。 由于实际测量中被测物体或物理量不一定与检测设备在一起，有时相隔距离 还会很远，尤其是对于弱信号检测，普通的传输手段损耗太大，不利于测量，随 着光纤传输技术的发展，现在的研究热点集中于掺铒光纤，并且其制造技术也已 日渐成熟，所以在这里作者采用掺铒光纤作为待测信号的传输介质，对于普通的 测量来说，可以使用一个铒光纤传感器来实现信号的采集和传输，对于弱信号检 测来说，信号采集和传输分开进行，待测信号可以是普通的语音信号，也可以是 通信信号或工业中的机器检测信号。 全文共分六个部分：第一章论述了课题的背景、意义，研究现状以及论文主 要内容及安排；第二章重点集中于混沌理论以及基于d u f f i n g 振子的信号检测理 论与方法；第三章内容为光纤弱信号检测理论与方法，对现有和传统使用的主要 几种弱信号检测技术，如相干检测，随机共振检测等等进行了分析与研究。第四 章内容集中于混沌检测中的一项重要技术：混沌系统状态的判别技术，在引出了 传统的几种判别手段之后，本文提出了一种新的判别手段，基于过零周期数的混 沌阈值判别手段，具有实时性好，算法简单，便于工程实现的特点。第五章设计 了一套基于掺饵光纤的弱信号检测系统，并对系统的主体：弱信号检测部分进行 详细论证，最后对本论文进行了总结和展望。 第2 章混沌与信号检测理论 2 1 混沌检测弱信号原理 混沌运动作为非线性系统所特有的一种运动状态，经常出现于某些耗散系 统、h a m i t o n 保守系统以及非线性离散映射系统当中。混沌的运动状态脱离了经 典力学当中的确定性运动的三种状态：静止、周期运动和准周期运动。其运动状 态主要表现在局限于有限区域内并且轨道永远不再重复的一种类随机运动。 混沌系统具有很多特性n 4 。1 5 3 如：有界性、遍历性、分维性等等，而对于弱信 号检测领域，通常是利用混沌系统的内随机性实现弱信号的测量，随机性是指在 某个条件下，系统的运动状态无法确定，随时间推移系统产生随机性的运动结果。 通常，当系统所受外界干扰源较多，干扰程度较大时会产生这种随机性运动，对 于一个可以确定运动方程的系统，在不受外界因素干扰的情况下，根据经典力学 的理论，其运动状态应该是可以确定和预测的，但是混沌运动的类随机性打破了 这个推论，其对初值的敏感性使系统的某个参量受到微小扰动时，运动轨迹会随 时间产生指数式偏移，那么将微小信号的某个待测值作为微扰量加入系统，通过 观测运动轨迹的偏离情况就能实现弱信号物理量的测量。 混沌系统的另一个特点是其统计特性，如l y a p u n o v 指数和连续功率谱等。 l y a p u n o v 指数是对混沌系统运动轨迹随时间分离的平均速度，l y a p u n o v 指数的 数目与系统的维数是相同的，每个l y a p u n o v 指数表征系统在此维的轨迹分离速 度，当l y a p u n o v 指数都小于零时系统的运动状态对应于周期运动或不动点，当 l y a p u n o v 指数等于零时，系统运动对应于分岔点，只有系统存在正的l y a p u n o v 指数时系统才会出现混沌运动现象，因此l y a p u n o v 指数是一个判定系统状态的 重要标准，在弱信号检测中，利用混沌系统对噪声所特有的免疫力达到精确判定 弱信号存在与否的目的，只有弱信号的加入才可促使系统产生相变，因此通过混 沌系统的一系列状态特征来判断系统状态就显得尤为重要了。l y a p u n o v 指数就 是其中一个经常用于判定系统的混沌态的特征量，这在许多混沌弱信号检测当中 都有应用。 2 2 基于混沌振子的弱信号检测原理 信号检测是信号处理当中的一个重要分支，它的检测水平是衡量一个国家电 子科学和信号处理水平的一个重要标准n6 | ，是信号处理的尖端领域，在雷达、声 纳、故障检测、通信、生物医学等领域都有广泛的应用。而当被检测微弱信号处 于复杂环境下如强噪声中，如何成功实现所需微弱信号的检测是信号检测当中的 一个重要内容，微弱信号的检测方法主要有时域处理方法和频域处理方法两个大 类。频域处理方法主要是根据噪声所具有的统计特性，在频域对频谱或功率谱分 析的基础上采取特定频率的噪声抑制手段，比如去除高斯色噪声一般都采用高阶 累积量方法，如当前的m u s i c n 刀和e s p r i t n 胡等高阶累积量方法，其信噪比下限可 以达到一l o d b 的水平，而且具有很高的谱分辨率。那么针对相互独立的色噪声， 可以采用互谱估计方法啪1 ，其信噪比工作下限可以达至u - 3 0 d b ，而现在出现的对两 种噪声都有较好的抑制作用的互高阶谱估计方法口们可使信噪比达至u - l o d b ，但是 这些方法同时存在着噪声抑制的局限性问题。而时域处理方法不需要事先对噪声 的类型及分布进行假设，优点是简单、快速、易于用硬件实现。但是目前对时域 处理方法的研究还是主要为6 0 年代所提出的锁频放大器和b o x c a r 积分器，其检 测的弱信号下限难以突破l o n v n 叼。因此现在急需一种新的成熟检测技术，可以 在更低的信噪比下工作。 而将混沌理论用于微弱信号检测是基于以下两点：首先，混沌系统的最重要 特点就在于系统的演化对初始条件是十分敏感的，因此在长期观测下，系统的将 来行为是不可预测的。另外，混沌系统对自然界中的噪声具有较强的免疫力，利 用这个特点就可以去除掉背景环境的噪声，将微弱周期信号提取出来。通过混沌 系统检测信号可以达到以往传统检测手段所无法达到的低信噪比以及高精度要 求，目前在混沌弱信号检测领域的研究主要集中于以下两方面： ( 1 ) 背景噪声为混沌的情况。现在已有很多文献证明自然界很多背景信号 为混沌噪声，如海杂波，心电图杂波等，因此现在有很多科研工作者开始致力于 研究混沌背景下的信号检测问题，也发表了很多相关文章，比较常用的有采用神 经网络法、最小象空间体积法、等等，都成功的实现了混沌背景信号下的信号盲 分离，提取出了有用谐波信号。1 9 9 2 年b i r x 妲列使用d u f f i n g 方程构造的系统对 谐波信号进行检测，这是最早的将混沌理论用于混沌背景噪声检测的试验。1 9 9 4 年h a y k i n 晗3 3 成功使用m p 方法将微弱小信号从具有混沌特性的背景信号中提取出 来。s h o r t 心门于1 9 9 7 年利用了混沌信号的短期可预测性，成功实现了混沌通信系 统中小信号的提取，上述学者的众多研究均取得了丰硕成果。 ( 2 ) 背景噪声为类高斯白噪声或非高斯分布噪声信号，一般都是通过构造 一个混沌系统来实现微弱信号的检测。其主要基于混沌理论构造的系统具有一系 列特性，如对噪声具有较好的免疫力，普通的加性噪声，如常用的随机高斯白噪 声，或色噪声在作为参数扰动加入混沌振子系统中，并不会对系统的状态产生质 的影响，也就是不会改变系统当前所处的状态，但是对于待测信号，如谐波信号 作为参数扰动加入系统当中，哪怕是非常微弱的信号都会对系统的状态产生影 响，这样就达到了对周期弱信号的检测与判断。 9 而本文所研究的主要方向是背景噪声为高斯白噪声下的微弱正弦信号的检 测，因为在自然界中，可以把众多噪声的复合当做高斯白噪声来处理，同时，通 常在通信当中都是采用正弦信号作为载波，然后调制传输，因此对于正弦信号的 检测是非常重要的一个检测指标，微弱正弦信号的检测一直在信号检测中处于一 个非常重要的地位。正弦信号最初被人们所重视是起源于1 9 世纪末的f o u r i e r 级数和f o u r i e r 变换理论，正弦信号也成为信号处理中的一个重要方面，信号的 复利叶变换特性使正弦信号检测理论和方法的研究不仅具有重要的理论意义，而 且在雷达、通信、物理学、医学等领域有极其广泛的应用。 具体来说，通常所使用的混沌振子用于微弱信号检测瞳4 1 的基本理论依据是利 用混沌的控制理论。混沌控制理论是一种与传统的控制理论完全不同的一种新型 控制理论，现在的混沌控制理论主要都是通过对系统加入一个时间连续函数小信 号作为一个微扰信号来实现对系统的控制，通常这个时间连续信号都是使用一个 周期小信号作为扰动源，对系统的混沌性进行抑制，实现系统的原l y a p u n o v 指 数由正值变为负值，传统的控制目的都是为了将系统脱离混沌状态，趋于稳定。 而在此所要研究的弱信号检测实现原理是将待测小信号作为系统某个参数的一 个扰动信号加入系统当中，由于系统对参数的极端敏感性，当加入特定的周期信 号，无论信号多么微弱，都会导致系统的周期解发生变化，体现在相轨迹上就是 系统的相态发生变化，而将普通的噪声信号加入系统，即使噪声相对信号非常强 烈，但是对系统的周期解并无影响，系统的状态也无变化，这样就实现的在强噪 声背景下微弱弱信号的检测。现有的研究主要都是从系统状态的变化来判断信号 的出现与否，因为此种方法比较简便，通过计算机对相轨迹的计算可以分辨出系 统的相态变化，为了增强判别的准确性，作者希望能够将系统状态的变化最大化， 这样可以增强判别的准确度，通过实验仿真可以发现，一个混沌系统处于混沌态 和大尺度周期态时，系统的相轨迹图存在很大差别，所以很多学者都将检测系统 的混沌态和大尺度周期态作为系统的二态，通过两个状态之间的转化来实现弱信 号的判别与检测。那么很多关键的检测技术也是基于这两个状态的各自特点和相 互关系中的，这也是本文研究中的一个要点。 2 3d u f fin g 振子构成的弱信号检测系统研究 本文的研究内容主要集中于建立一个能够检测微弱j 下弦信号的混沌系统。首 先，一个系统想要实现对特定信号的检测，必须使其对于某种特定信号具有很强 的敏感性，对于混沌理论的研究现在已经经历了好几十年，众多学者也发现并构 造出许多混沌系统，通常采用数学方程对这些系统进行描述的，如：l o r e n z 方 程、f a n d p u l 方程、d u f f i n g 方程等等。在这些混沌动力学方程之中作者选择 1 0 d u f f i n g 方程作为微弱信号检测系统的构造模型，d u f f i n g 方程起源于对软弹簧 振子弱阻尼运动的动力学描述，而且现如今对其的研究也比较充分，通过使该系 统处于某个特定的状态，加入微弱正弦信号到该系统当中，通过对系统状态的变 化判断来实现强噪声中微弱正弦信号的检测工作。以下是d u f f i n g 方程的数学表 达式： x + k x + 口x + b x 3 = 0 ( 2 2 ) 其中k 为阻尼比，( a x + x 3 ) 为系统的非线性恢复力，在引入周期外力作 用后d u f f i n g 方程变为： x + 尼x + 口x + 肛32 r c o s ( t ) ( 2 3 ) 上式中，y 和彩分别是外加周期摄动力的幅度和频率，口和分别为系统 实数因子。 通过大量仿真试验可以发现上述的d u f f i n g 方程构成的系统能够产生混沌 现象。随着外置周期策动力幅值y 的变化，系统的状态会经历同宿轨道、分叉【2 5 l 、 混沌轨迹、临界周期轨迹、大尺度周期等各个状态。检测初始通过对内置周期策 动力幅值的设定将系统的状态控制在某个状态的临界点上，那么待测信号的加入 与否就与系统的状态变化与否联系到了一起。当加入特定频率的待测信号会激发 系统产生相变，那么相变就是待测信号出现的判据。而且大量实验已证明，普通 噪声的加入不会对系统的相变产生影响，并且一些学者也发现，并不只是正弦波， 当外加周期策动力为方波时系统也可实现微弱信号的检测能力。并且为了提高系 统的检测能力以及灵敏度，有学者提出了对非线性项进行适当改进的系统方程， 数学表达式如下： x + k x x 3 + x 5 = c o s ( t ) ( 2 4 ) 其中k 为阻尼比，x 3 + x 5 为非线性恢复力项，y c o s ( o t ) 为内置信号。 两种检测模型的检测原理是一样的，在这里作者还是采用第一种模型进行讨 论。以上就是基于d u f f i n g 振子的微弱周期信号检测原理。 2 4 本章小结 本章主要论述了混沌理论的来源，发展以及研究现状，具体阐述了混沌理论、 其数学上的定义以及混沌系统作为非线性系统的一系列特点，然后对于混沌在弱 信号检测中的应用展开了研究，分析其与传统的检测方式之间的区别和优势，具 体检测过程中使用d u f f i n g 振子构造的混沌检测系统在实现弱信号检测中的原 理、特点以及目前存在的一系列问题。 第3 章光纤弱信号检测理论与方法 3 1 互相关检测法 相关性是有用信号与各种自然噪声之间一个很重要的区别，因此利用信号在 时间上具有相关性这一特性，可以将深埋在噪声当中的周期信号提取出来，这就 是相关检测法，相关检测法一直是微弱信号检测的基础1 2 6 】【2 9 1 ，相比传统的窄带滤 波器必须知道待测信号的中心频率，相关检测法不需要知道信号的先验知识，因 此对于未知频率的待测信号使用相关检测法会得到非常好的效果。从这个意义上 说相关检测器就