(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111548151.7 (22)申请日 2021.12.17 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114239273 A (43)申请公布日 2022.03.25 (73)专利权人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 申晓红　连薇　锁健　王海燕　 马石磊　 (74)专利代理 机构 西安凯多 思知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61290 专利代理师 刘新琼 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01)审查员 沈晴 (54)发明名称 一种跨层级联随机共 振微弱信号处理方法 (57)摘要 本发明提供了一种跨层级联随机共振微弱 信号处理方法， 利用级 联随机共振系统和前馈控 制的协同作用， 在第一级系统输出信号处理中引 入频域归一化叠加方法从而减小低频区域噪声 干扰， 提高微弱信号处理性能， 在提高输出信噪 比的同时， 也保留了较完整的原始信号特征， 跨 层级联随机共振系统不仅有效提高了输出信 噪 比， 改善系统性能， 而且能够显著减少信号的失 真情况。 本发明最大程度保留了原始信号信息 量， 改善系统输出性能， 归一化叠加方法使系统 具有良好的滤波效果， 能够同时滤除高频段和低 频段的噪声干扰， 大幅提升系统输出信噪比， 对 完全淹没在噪声中的特征信号亦能得到明显的 增强输出， 改善了基于随机共振系统的微弱信号 检测性能。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 114239273 B 2022.09.27 CN 114239273 B 1.一种跨层级联随机共 振微弱信号处理方法， 其特 征在于包括下述 步骤： 步骤1： 4层跨层级联随机共 振系统的构建 设计； 构建4层跨层级联非线性双稳态随机共振系统模型， 4层跨层级联双稳系统 的朗之万方 程为： 式(1)中， ai， bi为第i级双稳态系统对应的参数， xi为第i级系统的输出信号， t表示时 间， wi为系统的前馈传递参数， wi‑1xi‑1(t)为前一级系统通过前馈控制传递给下一级系统的 输入信号； s(t)＝A0sin(2πf0t)表示输入的原始微弱信号， A0为输入信号的幅度， f0为输入 信号的频率， n(t)为均值为0的白噪声； 第i级系统的输入信号为wi‑1xi‑1(t)+…+w1x1(t)+s (t)+n(t)， dxi/dt指第i级系统所对应的 朗之万方程， i取1， 2， 3， 4； 步骤2： 设定系统参数搜索范围和初始值； 系统参数a、 b包括参数ai， bi， 设定系统参数a、 b的搜索范围分别为a∈[amin,amax]， b∈ [bmin,bmax]， 搜寻步长为asep和bsep， 取系统参数初始值 为a＝amin， b＝bmin； 步骤3： 系统数值 求解； 将系统参数a、 b代入公式(2)， 采用四阶龙格库塔方法计算下一个输出值： k4＝a(xn+hk3)‑b(xn+hk3)3+sn+1           (2) 其中h为龙戈库塔步长参数,h＝1/fs， fs表示采样频率， xn表示系统输出的第n个离散 值， xn+1表示系统输出的第n+1个离 散值， sn+1表示输入信号的第n+1个离 散值； 步骤4： 系统输出全局信噪比求 解与存储 通过离散傅里叶变换(DFT)求 解输出信号的功率谱， 按照公式(3)计算信噪比： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114239273 B 2其中， N为信号采样 点数， i＝1,2, …,N， Af为功率谱信号处的幅值即信号的能量,Ai为输 出信号能量， 代表输出信号的总能量， 代表噪声的能量； 将信噪比及该信噪比对应的系统参数a、 b存 储； 步骤5： 按照步骤2中所设定的系统参数a、 b的搜索范围和搜索步长asep、 bsep， 分别改变 系统参数a、 b， 执 行步骤3到步骤4， 直到系统参数a、 b均达 到搜索范围上限； 步骤6： 将步骤5存储的最大信噪比作为最优值， 并提取该最大信噪比所对应的系统参 数ai、 bi作为最优系统参数aopt、 bopt； 步骤7： 将步骤6获取的最优系统参数aopt、 bopt代入步骤1所述的第一级跨层级联随机共 振系统中求 解输出， 获得时域波形明显的输出信号并存 储； 步骤8： 将步骤7得到的输出信号和原始含噪信号s(t)+n(t)分别利用傅里叶变换转换 到频域特 征， 得到频域信号y1， 并按照式(4)进行归一 化叠加； 其中， ys0表示原始含噪信号在采样频率处对应的信号幅值， y11表示系统输出信号的频 域特征,y10表示步骤7得到的系统输出信号在采样频率处对应的信号幅值； 将叠加后的信号用反傅里叶变换转化到时域特征， 得到时域信号x0， 再次进行步骤2到 步骤7， 得到 输出信号x1并存储； 步骤9： 设定前馈结构参数搜索范围和初始值 设定前馈结构参数W的搜索范围为 W∈[Wmin,Wmax]； 搜寻步长为asep、 bsep和Wsep； 步骤10： 按照步骤9中所设定的前馈结构参数W的搜索范围和搜索步长Wsep， 改变前馈结 构参数W， 并执 行步骤2到步骤4， 直到前馈结构参数W达 到搜索范围上限； 步骤11： 将步骤10中存储的信噪比中选取信噪比最大值作为信噪比最优值， 并提取对 应的系统参数a、 b和前馈结构参数W作为 最优参数aopt、 bopt和wopt； 步骤12： 将步骤11获取的最优系统参数aopt、 bopt和前馈结构参数wopt代入步骤1所述 的 第二级跨层级联随机共 振系统中求 解输出， 获得时域波形明显的输出信号x2， 并进行存 储； 步骤13： 执行步骤9到步骤11， 将步骤11获取的最优系统参数aopt′、 bopt′和前馈结构参 数wopt′代入步骤1所述的第三级跨层级联 随机共振系统中求解输出， 获得时域波形明显的 输出信号x3， 并进行存 储； 步骤14： 执行步骤9到步骤11， 将步骤11获取的最优系统参数aopt″、 bopt″和前馈结构参 数wopt″代入步骤1所述的第四级跨层 级联随机共振系统中求解输出， 得到最 终4层跨层 级联 随机共振系统的输出信号x4。 2.根据权利要求1所述的跨层级联随机共 振微弱信号处理方法， 其特 征在于： 所述步骤2中， amin＝bmin＝0,amax和bmax不小于0.1,asep和bsep不大于0.0001。 3.根据权利要求1所述的跨层级联随机共 振微弱信号处理方法， 其特 征在于： 所述步骤9中， Wmin＝‑5,Wmax＝5,Wsep＝0.01， 取 前馈结构参数初始值 为W＝Wmin。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114239273 B 3