一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置

1.本发明涉及信号检测领域，特别涉及一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置。


背景技术：

2.混沌是指非线性动力学系统表现出不可预测的、类似随机性的运动。近年来，混沌理论渗透到解决各种实际工程问题中，将混沌理论引用到信号检测领域是混沌应用的显著表现之一，微弱信号检测广泛运用于振动测量、故障诊断、通信、雷达、声纳、物理、系统辨识等领域。混沌系统对初始值和系统参数极其敏感，系统参数的微小改变，系统状态就可以从混沌状态转变为周期状态，由于混沌状态和周期状态差异很大，因此混沌系统可以作为微弱信号检测的载体。因为系统频谱集中在中低频段的混沌系统作用类似于一个低通滤波器，这为混沌理论运用于中低频微弱信号检测提供了理论依据。
3.强噪声背景下的微弱信号检测近年来成为信号检测领域的热门课题，传统微弱信号检测方法基于线性理论，输入信号中噪声难以降低。基于混沌理论的微弱信号检测方法则弥补了传统信号检测方法的缺陷，能够达到极低的信噪比，提高了微弱信号的检测精度。微弱信号检测的原理是将微弱信号从噪声环境中提取和检测出来，这是一门涵盖电子、自动化、机械等方面领域的高精尖技术，具有广泛的应用价值。利用混沌系统的优势检测微弱信号，大大降低了微弱信号检测的成本，提高了检测的精度，在微弱信号检测中具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置。
5.一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置，其特征在于：包括信号合成电路、四维混沌检测电路、系统状态判定电路、检测结果指示电路、供电电源；信号合成电路将周期激励信号、直流信号、待测信号合成为单一信号；四维混沌检测电路状态随输入电路的待检测信号的不同而不同；系统状态判定电路根据四维混沌检测电路输出信号对混沌电路状态进行判定，进而判定输入待测信号是否为周期信号；检测结果指示电路对系统状态判定电路的判定结果进行指示；供电电源为信号合成电路、四维混沌检测电路、系统状态判定电路和检测结果指示电路提供工作电源。
6.一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置，其特征在于：四维混沌检测电路在未输入待检测信号源或待检测信号不在装置检测范围时，电路呈现出混沌状态；当输入的待检测信号为装置检测范围内的周期信号时，四维混沌检测电路呈现周期状态。
7.一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置的信号合成电路，其特征在于，包括周期激励信号、直流电源、待测信号，调节周期激励信号和直流电源幅值即可调节检测装置的检测范围。
8.一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置的系统状态判定电路，其特征在于：系统状态判定电路输入信号为四维混沌检测电路的任意一维输出信号，从而判定四维混沌检测电路的状态。
9.一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置的检测结果指示电路，其特征在于，检测结果指示电路中的led灯为检测结果指示器，系统判定电路判定四维混沌检测电路处于混沌状态时，led灯熄灭；系统判定电路判定四维混沌检测电路处于周期状态时，led点亮。
10.本实用新型的有益效果在于。
11.本实用新型基于四维混沌电路用于低频微弱信号的检测，由于混沌微弱信号检测电路属于非线性电路，对待检测信号中含有的噪声信号具有一定的抵抗作用，减少了待测信号中噪声对检测结果的影响。
12.本实用新型中待检测信号的微小变化就能使四维混沌电路状态发生明显变化，因此本实用新型对待检测的微弱信号十分灵敏。
13.本实用新型的微弱信号检测装置使用的电气元件少、具有电路结构简单，成本低、实现容易等优点。
附图说明
14.图1为一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置的系统总体框图。
15.图2为一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置的信号合成电路的电路图。
16.图3为一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置的四维混沌检测电路的电路图。
17.图4为一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置的混沌系统状态判定电路和检测结果指示电路电路图。
18.图5为一种基于四维混沌电路的微弱信号检测装置的混沌系统状态判定电路处理流程图。
19.图6为ad633模拟乘法器引脚连接示意图。
20.图7为tl082型双运算放大器引脚连接示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
22.如附图1所示，本实用新型的系统总体框图，本实用新型包括信号合成电路、四维混沌检测电路、系统状态判定电路、检测结果指示电路、供电电源；
23.信号合成电路将直流信号、待测信号、周期激励信号合成为单个信号，合成后的信号输入至四维混沌微弱信号检测电路，在信号合成电路中，调节周期激励信号和直流信号幅值即可调节整个装置的幅值检测范围；
24.四维混沌检测电路由四个非线性电路构成，合成后的信号由第四维非线性电路进入系统，若待测信号为微弱周期信号，且微弱周期信号的幅值和频率在检测装置范围内，则四维混沌检测电路处于周期状态；若待检测信号中不为微弱周期信号，或微弱周期信号的幅值和频率不在检测装置范围内，则四维混沌系统处于混沌状态；
25.系统状态判定电路的运算单元为stc15单片机，四维混沌检测电路任意一维的输出信号经单片机进行模数转换，判定四维混沌检测电路所处状态，从而判定待检测信号是否为装置检测范围内的微弱周期信号；
26.检测结果指示电路利用led灯作为装置检测结果指示器，若系统状态判定电路判定四维混沌检测电路处于混沌状态，则led熄灭，待检测信号不为装置检测范围内的周期信号；若系统状态判定电路判定四维混沌检测电路处于周期状态，则led点亮，待检测信号为装置检测范围内的微弱周期信号；
27.供电电源为信号合成电路、四维混沌检测电路、系统状态判定电路、检测结果指示电路提供工作电源。
[0028] 如附图2所示，本实用新型的信号合成电路的电路图。信号合成电路利用模拟加法电路将直流信号signal_d、待测信号signal_t+signal_n、周期激励信号signal_s合成为单个信号signal, 即signal=signal_d+signal_t+signal_n+signal_s。signal_t为待测信号中的周期信号，signal_n为待测信号中的噪声信号，待测信号由signal_t和signal_n共同组成；其中同组成；其中, m为直流信号幅值，a为待测微弱信号幅值，b为周期激励信号幅值，n(t)为噪声信号，为待测信号频率，为周期激励信号频率； 因此输入四维混沌检测电路信号signal的表达式为；当时，此时装置检测周期信号的幅值a范围为0.3v-0.8v。调节装置中的取值即可调节装置信号检测的幅值范围。
[0029]
如附图3所示，本实用新型的四维混沌检测电路的电路图。混沌信号检测电路图由第一维非线性电路、第二维非线性电路、第三维非线性电路、第四维非线性电路共四维非线性电路构成。电阻r8、r9、运算放大器u1a、电容c1共同构成第一比例积分电路，电阻r10、r11、运算放大器u1b共同构成第一反相放大电路；电阻r12、r13、r14、r15、运算放大器u2a、电容c2、模拟乘法器a1共同构成第二比例积分电路，电阻r16、r17、运算放大器u2b共同构成第二反相放大电路；电阻r18、r19、运算放大器u3a、电容c3、模拟乘法器a2共同构成第三比例积分电路，电阻r20、r21、运算放大器u3b共同构成第三反相放大电路；电阻r22、运算放大器u4a、电容c4、模拟乘法器a3共同构成第四比例积分电路，电阻r23、r24、运算放大器u4b共同构成第四反相放大电路；
[0030]
上述四维非线性电路构成的四维混沌检测电路数学模型为
[0031]
[0032]
其中x,y,z,u为系统状态变量，signal为信号合成电路合成后的输出信号；
[0033]
为了方便后续混沌判定电路对信号处理，将以上无量纲数学模型中系统中状态变量做适当的比例变换，即,比例缩放后的数学模型如下：
[0034][0035]
根据式（2）可得出本实用新型混沌检测电路方程为：
[0036][0037]
其中。电阻值分别为：
[0038]
。
[0039]
如附图4所示，本实用新型的混沌系统状态判定电路和检测结果指示电路电路图。电容c5,c6、晶振y1构成stc15型单片机晶振电路，电阻r25、电容c7，按钮s1构成单片机复位电路。晶振电路、电源与复位电路共同构成单片机最小系统；
[0040]
运算放大器u1b的输出端连接stc15单片机p0.0引脚，stc15型单片机p4.5引脚连接led灯。u1b输出端的信号经单片机p0.0引脚进入单片机进行模数转换，模数转换后的结果进入混沌系统状态判定逻辑，若混沌系统状态判定为混沌状态，则stc15型单片机p4.5引脚为低电平，此时led灯熄灭；若混沌系统状态判定为周期状态，则stc15型单片机p4.5引脚为高电平，此时led灯点亮。led的熄灭与点亮为检测结果的指示器。
[0041] 如附图5所示，本实用新型的混沌系统状态判定电路处理流程图，运算放大器u1b的输出端信号-x连接至stc15型单片机，信号输入至单片机p0.0引脚进行模数转换形成离散的时间序列，设置采样次数n=1，单片机离散化后的时间序列求取最大值vmax，并选取最
大值vmax作为基准值，不断对时间序列进行采样并计算采样后的时间序列值vcurr，如果|vmax-vcurr|《0.01,则表明再次采样到时间序列峰值点，计算所有采样点的平均值，使n=n+1并重新开始采样；如果|vmax-vcurr|》0.01,则表明未采样到时间序列峰值点，重复对时间序列，直至|vmax-vcurr|《0.01。当采样次数n=2时，设第一次采样平均值为vaver(1)和第二次采样平均值为vaver(2)，如果| vaver(2)
‑ꢀ
vaver(1)|《0.01，则表明此时系统状态为周期状态，系统由混沌状态转变为周期状态，混沌检测电路检测到待测微弱信号；如果| vaver(2)
‑ꢀ
vaver(1)|》0.01，则表明此时系统状态为混沌状态，系统仍保持为混沌状态，混沌检测电路未检测到待测微弱信号；所述运算放大器均采用tl082型运算放大器、所述模拟乘法器均采用ad633型模拟乘法器。
[0042]
如附图6所示，为本实用新型中ad633模拟乘法器引脚连接示意图，第一输入端和第二输入端分别连接需要乘法运算的两个信号，vs+引脚连接+15v直流电源，vs-引脚连接-15v直流电源，w为ad633型乘法器输出端，输出两输入信号相乘后的信号，ad633其他引脚均接地。具体的，附图3中模拟乘法器a1、a2和a3的两个输入信号分别连接至ad633模拟乘法器第一输入端和第二输入端，其输出信号连接至ad633模拟乘法器输出端。
[0043]
如附图7所示，为本实用新型中tl082型双运算放大器引脚连接示意图，tl082型运算放大器包含两个运算放大器，其中vcc-引脚接-15v直流电源，vcc+引脚接+15v电源，第一反相输入端和第二反相输入端分别连接两个输入信号，第一输出端和第二输出端分别连接两个输出信号。具体的，附图2和附图3中，u1a、u2a、u3a、u4a和u5a反相输入端和输出端均分别连接至每个tl082运算放大器第一反相输入端和第一输出端，u1b、u2b、u3b、u4b和u5b反相输入端和输出端均分别连接至每个tl082运算放大器第二反相输入端和第二输出端。tl082运算放大器其余引脚均接地。