基于超外差式随机共振检测系统的装置及检测方法，涉及一种随机共振检测的装置及方法，为了解决（1）现有随机共振系统不适用于f0>1的频率信号；（2）108量级频率的信号无法通过随机共振系统进行检测的两个问题。外部待测信号与混频器输入端相连，混频器的信号输出端与放大器的信号输入端相连，放大器的信号输出端与滤波器的信号输入端相连，滤波器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端相连，A/D转换器的数据输出端与引入积分补偿的双稳态随机共振系统的数据输入端相连，引入积分补偿的双稳态随机共振系统的数据输出端与外部数据处理器的数据输入端相连。本发明可广泛应用于对1~108频率的信号进行随机共振检测。
1.基于超外差式随机共振检测系统的装置的检测方法，所述基于超外差式随机共振检测系统的装置，它包括混频器(1)、放大器(3)、滤波器(4)、A/D转换器(5)、引入积分补偿的双稳态随机共振系统(6)和本振信号处理器(2)；
外部待测信号与所述混频器(1)的待测信号输入端相连，本振信号处理器(2)的载波信号输出端与混频器(1)的载波信号输入端相连；所述混频器(1)的混频信号输出端与放大器(3)的混频信号输入端相连，放大器(3)的混频信号输出端与滤波器(4)的混频信号输入端相连，滤波器(4)的降频信号输出端与A/D转换器(5)的降频信号输入端相连，A/D转换器(5)的降频数据输出端与引入积分补偿的双稳态随机共振系统(6)的降频数据输入端相连，引入积分补偿的双稳态随机共振系统(6)的峰谱数据输出端与外部数据处理器(7)的峰谱数据输入端相连；
所述引入积分补偿的双稳态随机共振系统(6)包括双稳态随机共振系统(8)和补偿系数模块(9)，所述补偿系数模块(9)的补偿系数输出端与随机共振系统(8)的补偿系数输入端相连；
基于超外差式随机共振检测系统的装置的检测方法，其特征在于它包括如下步骤：步骤一：将待测信号s(t)+n(t)输入混频器(1)；
所述待测信号s(t)+n(t)为混有高斯白噪声的的原信号；原信号为s(t)＝8
Acos(2πf0t)，高斯白噪声为n(t)；所述待测信号频率的范围为1Hz～9×10Hz；
步骤二：本振信号处理器(2)从本振信号处理器(2)产生的载波信号vc(t)的频率下限开始抽取载波信号vc(t)，抽取的频率间隔为△f，且△f为非零任意值；获得数个抽取的载波信号vc(t)；
将每个抽取的载波信号vc(t)与步骤一所述的待测信号s(t)+n(t)同时输入混频器(1)，待测信号s(t)+n(t)输入混频器(1)的初始时刻为t＝0；
所述本振信号处理器(2)产生的载波信号vc(t)为vc(t)＝cos(2πfct)，且载波信号vc(t)的频率范围与待测信号s(t)+n(t)的频率范围相同；
步骤三；将步骤二所述的抽取的数个载波信号vc(t)分别与待测信号s(t)+n(t)进行混频，获得数个混频信号；所述进行混频的待测信号s(t)+n(t)为0.1秒时间周期的待测信号s(t)+n(t)：所述每个混频信号为[s(t)+n(t)]vc(t)，经过混频过程，分别获得降频信号x1(t)、升频信号x2(t)与噪声ξ(t)；所述降频信号x1(t)为 升频信号x2(t)为
步骤四：将步骤三获得的数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)分别输入放大器(3)，获得放大后的数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)；
步骤五：将步骤四获得的放大后的数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)分别输入滤波器(4)，获得数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)中的数个降频信号x1(t)；
步骤六：将步骤五所述的数个降频信号x1(t)输入A/D转换器(5)，通过A/D转换器(5)将降频信号x1(t)转换为数个降频信号x1(t)的数字信号；
步骤七：将步骤六获得的数个降频信号x1(t)的数字信号输入引入积分补偿的双稳态随机共振系统(6)，引入积分补偿的双稳态随机共振系统(6)将数个降频信号x1(t)的数字信号的峰谱幅度输出至外部数据处理器(7)。
2.根据权利要求1所述的基于超外差式随机共振检测系统的装置的检测方法，其特征在于步骤七中所述引入积分补偿的双稳态随机共振系统(6)的原理为：随机共振系统描述了过阻尼下布朗粒子受周期性信号和噪声的作用在非线性系统中所发生的往复跃迁现象；描述粒子运动的方程-郎之万方程为：引入积分补偿的双稳态随机共振系统(6)为引入积分补偿对随机共振系统进行改进：其中，Gain为积分补偿系数，且Gain≥2π(f0-f )。
基于超外差式随机共振检测系统的装置及检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种随机共振检测的装置及方法，属于信号检测技术领域。
背景技术
[0002] 目前，信号检测技术在许多领域都有着十分广泛的应用，如生物医学、电化学、科学研究等等。尽管人们在研究微弱信号检测中，发展了一整套抑制噪声的理论和方法，如数字锁相技术、Boxcar积分器和相干检测技术等，在弱信号检测中起到了相当大的作用，但在抑制噪声的同时，被测信号也受到抑制或损失。另外，这些方法大多是在线性系统的框架内进行，如窄带化与相干检测技术、时域信号的平均技术、离散信号的技术统计等。因此需要考虑如下几个问题：1系统本身是产生噪声的源。在整个信息处理过程链中，涉及的系统越多，产生额外噪声的概率也越多。2系统本身不存在信噪比增加功能。相反，随着输入噪声的增加，系统输出信噪比会不断地下降。因此找到一种能够从噪声中提取有效信号的弱信号检测方法是当今社会面临的一个亟待解决的问题。
[0003] 随机共振理论的提出，为微弱信号的检测开创了新的思路。随机共振理论表明，强噪声背景下的微弱信号通过一个非线性系统时，若系统的非线性、信号与噪声达到某种匹配，背景噪声会增强微弱信号的输出，提高输出信噪比，但是随机共振系统对输入信号频率8
的局限性使得高频信号检测受到阻碍，只适用于低频（f0＜＜1Hz），对10 量级频率的信号也无法通过随机共振系统进行检测。
发明内容
[0004] 本发明是为了解决（1）现有随机共振系统不适用于f0>1的频率信号；（2）108量级频率的信号无法通过随机共振系统进行检测的两个问题，从而提供一种基于超外差式随机共振检测装置及方法。
[0005] 基于超外差式随机共振检测系统的装置，它包括混频器、放大器、滤波器、A/D转换器、随机共振系统和本振信号处理器；
[0006] 外部待测信号与所述混频器的待测信号输入端相连，本振信号处理器的载波信号输出端与混频器的载波信号输入端相连；所述混频器的混频信号输出端与放大器的混频信号输入端相连，放大器的混频信号输出端与滤波器的混频信号输入端相连，滤波器的降频信号输出端与A/D转换器的降频信号输入端相连，A/D转换器的降频数据输出端与引入积分补偿的双稳态随机共振系统的降频数据输入端相连，引入积分补偿的双稳态随机共振系统的峰谱数据输出端与外部数据处理器的峰谱数据输入端相连；
[0007] 所述引入积分补偿的双稳态随机共振系统包括双稳态随机共振系统和补偿系数模块，所述补偿系数模块的补偿系数输出端与随机共振系统的补偿系数输入端相连。
[0008] 基于超外差式随机共振检测系统的装置的方法，它包括如下步骤：
[0009] 步骤一：将待测信号s(t)+n(t)输入混频器；
[0010] 所述待测信号s(t)+n(t)为混有高斯白噪声的的原信号；原信号为8
s(t)=Acos(2πf0t)，高斯白噪声为n(t)；所述待测信号频率的范围为1Hz~9×10Hz；
[0011] 步骤二：本振信号处理器从本振信号处理器产生的载波信号vc(t)的频率下限开始抽取载波信号vc(t)，抽取的频率间隔为Δf，且Δf为非零任意值；获得数个抽取的载波信号vc(t)；
[0012] 将每个抽取的载波信号vc(t)与步骤一所述的待测信号s(t)+n(t)同时输入混频器，待测信号s(t)+n(t)输入混频器的初始时刻为t=0；
[0013] 所述本振信号处理器产生的载波信号vc(t)为vc(t)=cos(2πfct)，且载波信号vc(t)的频率范围与待测信号s(t)+n(t)的频率范围相同；
[0014] 步骤三；将步骤二所述的抽取的数个载波信号vc(t)分别与待测信号s(t)+n(t)进行混频，获得数个混频信号；所述进行混频的待测信号s(t)+n(t)为0.1秒时间周期的待测信号s(t)+n(t)；
[0015] 所述每个混频信号为[s(t)+n(t)]vc(t)，经过混频过程，分别获得降频信号x1(t)、升频信号x2(t)与噪声ξ(t)；所述降频信号x1(t)为升频信号x2(t)为
[0016] 步骤四：将步骤三获得的数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)分别输入放大器，获得放大后的数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)；
[0017] 步骤五：将步骤四获得的放大后的数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)分别输入滤波器，获得数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)中的数个降频信号x1(t)；
[0018] 步骤六：将步骤五所述数个降频信号x1(t)输入A/D转换器，通过A/D转换器将将降频信号x1(t)转换为数个降频信号x1(t)的数字信号；
[0019] 步骤七：将步骤六获得的数个降频信号x1(t)的数字信号输入引入积分补偿的双稳态随机共振系统，引入积分补偿的双稳态随机共振系统（6）将数个降频信号x1(t)的数字信号的峰谱幅度输出至外部处理器。
[0020] 采用本发明基于超外差式随机共振检测系统的装置及方法，它的优点包括：
[0021] （1）双稳态随机共振系统为引入积分补偿的随机共振系统，使f0>1的信号产生随机共振；
[0022] （2）通过引入超外差技术，在进入双稳态随机共振系统之前，对输入信号进行混频，使产生的降频信号满足随机共振条件，进一步提高了双稳态随机共振系统能够检测的频率范围。
附图说明
[0023] 图1是基于超外差式随机共振检测系统的装置结构示意图；
[0024] 图2是基于超外差式随机共振检测系统的方法流程图。
具体实施方式
[0025] 具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式。基于超外差式随机共振检测系统的装置，它包括混频器1、放大器3、滤波器4、A/D转换器5、随机共振系统6和本振信号处理器2；
[0026] 外部待测信号与所述混频器1的待测信号输入端相连，本振信号处理器2的载波信号输出端与混频器1的载波信号输入端相连；所述混频器1的混频信号输出端与放大器3的混频信号输入端相连，放大器3的混频信号输出端与滤波器4的混频信号输入端相连，滤波器4的降频信号输出端与A/D转换器5的降频信号输入端相连，A/D转换器5的降频数据输出端与引入积分补偿的双稳态随机共振系统6的降频数据输入端相连，引入积分补偿的双稳态随机共振系统6的峰谱数据输出端与外部数据处理器7的峰谱数据输入端相连；
[0027] 所述引入积分补偿的双稳态随机共振系统6包括双稳态随机共振系统8和补偿系数模块9，所述补偿系数模块9的补偿系数输出端与随机共振系统8的补偿系数输入端相连。
[0028] 具体实施方式二、采用具体实施方式一的基于超外差式随机共振检测系统的装置的检测方法，它包括如下步骤：
[0029] 步骤一：将待测信号s(t)+n(t)输入混频器1；
[0030] 所述待测信号s(t)+n(t)为混有高斯白噪声的的原信号；原信号为8
s(t)=Acos(2πf0t)，高斯白噪声为n(t)；所述待测信号频率的范围为1Hz~9×10Hz；
[0031] 步骤二：本振信号处理器2从本振信号处理器2产生的载波信号vc(t)的频率下限开始抽取载波信号vc(t)，抽取的频率间隔为Δf，且Δf为非零任意值；获得数个抽取的载波信号vc(t)；
[0032] 将每个抽取的载波信号vc(t)与步骤一所述的待测信号s(t)+n(t)同时输入混频器1，待测信号s(t)+n(t)输入混频器1的初始时刻为t=0；
[0033] 所述本振信号处理器2产生的载波信号vc(t)为vc(t)=cos(2πfct)，且载波信号vc(t)的频率范围与待测信号s(t)+n(t)的频率范围相同；
[0034] 步骤三；将步骤二所述的抽取的数个载波信号vc(t)分别与待测信号s(t)+n(t)进行混频，获得数个混频信号；所述进行混频的待测信号s(t)+n(t)为0.1秒时间周期的待测信号s(t)+n(t)；
[0035] 所述每个混频信号为[s(t)+n(t)]vc(t)，经过混频过程，分别获得降频信号x1(t)、升频信号x2(t)与噪声ξ(t)；所述降频信号x1(t)为升频信号x2(t)为
[0036] 所述混频的原理为：
[0037]
[0038]
[0039] 步骤四：将步骤三获得的数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)分别输入放大器3，获得放大后的数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)；
[0040] 步骤五：将步骤四获得的放大后的数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)分别输入滤波器4，获得数个混频信号[s(t)+n(t)]vc(t)中的数个降频信号x1(t)；
[0041] 步骤六：将步骤五所述的数个降频信号x1(t)输入A/D转换器5，通过A/D转换器5将降频信号x1(t)转换为数个降频信号x1(t)的数字信号；
[0042] 步骤七：将步骤六获得的数个降频信号x1(t)的数字信号输入引入积分补偿的双稳态随机共振系统6，引入积分补偿的双稳态随机共振系统6将数个降频信号x1(t)的数字信号的峰谱幅度输出至外部处理器7。
[0043] 具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二不同的是步骤七中所述引入积分补偿的双稳态随机共振系统6的原理为：
[0044] 随机共振系统描述了过阻尼下布朗粒子受周期性信号和噪声的作用在非线性系统中所发生的往复跃迁现象。描述粒子运动的方程-郎之万方程为：
[0045]
[0046] 引入积分补偿的双稳态随机共振系统（6）为引入积分补偿对随机共振系统进行改进：
[0047]
[0048] 其中，Gain为积分补偿系数，且Gain≥2π(f0-f0)。
[0049] 随机共振系统增加了积分补偿，成为引入积分补偿的双稳态随机共振系统6，能够2
处理的信号频率增大到10Hz量级。随机共振系统将时间与频率的关系通过FFT变换转化成频率与幅度关系，并将其输出至外部数据处理器7。外部数据处理器7将每个混频信号x(t)通过随机共振系统获得的频率与幅度关系拟合成连续峰谱幅度，计算幅度最大值对应的频率，所述频率即为原信号的频率f0，所述频率为抽取的载波信号vc(t)的频率fc。由于已知当待测信号s(t)+n(t)与载波信号vc(t)的频率相同时随机共振系统有最大谱峰，即通过谱峰最大值对应的频率fc就是待测信号s(t)+n(t)的频率f0，完成检测过程。
[0050] 采用本发明基于超外差式随机共振检测系统的装置及方法，双稳态随机共振系统为引入积分补偿的随机共振系统，使f0>1的信号产生随机共振；通过引入超外差技术，在进入双稳态随机共振系统之前，对输入信号进行混频，使产生的降频信号满足随机共振条件，进一步提高了双稳态随机共振系统能够检测的频率范围。
