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专利号: 2018102334414
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种随机共振微弱信号检测方法,其特征在于:所述随机共振微弱信号检测方法通过追尾行为的混沌变步长萤火虫优化算法寻找随机共振系统的结构最优参数,代入二维Duffing振子系统中,实现随机共振,检测出待检测信号中的微弱周期信号,输出最大信噪比,检测出非高斯噪声背景下的微弱信号。

2.根据权利要求1所述的随机共振微弱信号检测方法,其特征在于:所述检测方法包括以下步骤:(1)PCVSGSO参数初始化;

(2)混沌初始化及最优适应度值初始化:按照二维混沌公式对各只萤火虫完成混沌初始化,得到初始质量较优和分布均匀的萤火虫,然后获得混沌优化后的萤火虫适应度值,将混沌优化后的萤火虫适应度值赋值为每只萤火虫的局部最佳适应度值,把所有局部最佳适应度值中的最大值赋值为萤火虫的全局最佳适应度值;

(3)荧光素更新;

(4)计算拥挤度:计算要移向目标萤火虫周围的拥挤度;

(5)更新位置和决策域半径:得到下一次萤火虫迭代的位置;更新萤火虫位置后,完成更新位置后萤火虫的动态决策域更新;

(6)更新最优适应度值:根据步骤(5)更新的萤火虫位置后,得到更新后各只萤火虫的适应度值;如果获得的单只萤火虫局部最佳适应度值或者全局最佳适应度值优于步骤(2)中得到的上一代萤火虫的单只局部最佳适应度值或者全局最佳适应度值,则进行更新;

(7)输出最优随机共振:当迭代次数达到最大迭代次数时,依据最终输出的全局最佳适应度值所对应的萤火虫位置获得的最终二维Duffing振子随机共振系统参数的寻优结果,对原始信号完成随机共振输出。

3.根据权利要求2所述的随机共振微弱信号检测方法,其特征在于:所述二维Duffing振子随机共振系统模型为:对于一个受噪声信号n(t)与微弱周期信号u(t)作用的二阶Duffing振子随机共振方程如下式(13)所示:式(13)中k是阻尼比;x是系统输出;V(x)是势函数;a和b是大于0的非线性系统结构参数,系统势函数V(x)在相面上有三个极值点,分别为稳定点 以及不稳2

定点(0,0),势垒高度为ΔV=a/(4b);u(t)是二阶Duffing振子SR的输入信号,A是输入信号的幅度;δ是单位脉冲信号; 是输入信号的相位角;xDξ(t)为α稳定噪声,D代表α稳定噪声的强度放大系数。

4.根据权利要求3所述的随机共振微弱信号检测方法,其特征在于:所述α稳定噪声数据由α稳定分布序列产生,α稳定分布的特征函数表达如下:Φ(t)=exp{jut-γ|t|α[1+jBsign(t)ω(t,α)]}   (14)式(15)中,α∈(0,2]为特征指数,决定分布的脉冲特性和拖尾特性;γ为尺度参数;u为位置参数,表明分布的中心;B∈[-1,1]为对称参数,B=0时为完全对称,α稳定分布为特殊高斯模型,B≠0时为非对称,α稳定分布为非高斯模型。

5.根据权利要求2所述的随机共振微弱信号检测方法,其特征在于:所述步骤(2)中二维混沌公式如下式(2)所示:xi+1=tan(αxi)exp(-βxi)   (2)

式(2)中:α,β是控制参量,取α=5,β=3,0<x0<1时式(2)达到了混沌状态;所述得到初始质量较优和分布均匀的萤火虫,此时所处位置为xi+1;所述混沌优化后的萤火虫适应度值通过下式获得:F(a,b,k)=SNRout(sr(a,b,k))   (3)

式(3)中:sr(a,b,k)是PCVSGSO的随机共振输出结果,SNRout(sr(a,b,k))是SR的输出信噪比,也为适应度函数;式(5)中:X(f0)是输出信号的功率谱,N是背景的噪声谱,即ω0频率周围段内的平均值。

6.根据权利要求5所述的随机共振微弱信号检测方法,其特征在于:所述步骤(3)中荧光素根据下式(6)进行更新:li(t)=(1-p)li(t-1)+γf(xi(t))   (6)

式(6)中:li(t)表示在第t代第i只萤火虫的荧光素含量;p表示为荧光素挥发因子,取p=0.4;γ表示为荧光素更新率,取γ=0.6;f(xi(t))表示第i只萤火虫在第t代时,处于xi位置的目标函数,也就是适应度值函数。

7.根据权利要求6所述的随机共振微弱信号检测方法,其特征在于:所述步骤(4)中要移向目标萤火虫周围的拥挤度通过下式(7)~(9)计算:δ(t)=1-e-ct   (8)

式(7)中: 表示在t时刻第i只萤火虫的动态决策域,Ni(t)表示在t时刻第i只萤火虫的邻居;式(8)中:c为阈值变化系数;式(9)中:Pij(t)为第i只萤火虫向邻居集内第j只萤火虫转移概率,li(t)表示在t时刻第i只萤火虫的荧光素含量;

当qi(t)<δ(t)时,说明要移向的目标萤火虫周围不拥挤,则萤火虫能够直接飞向要移向的目标萤火虫;当qi(t)>δ(t)时,说明要移向的目标萤火虫周围拥挤,则该萤火虫在自己的感知半径内以概率Pij(t)随机挑选一只萤火虫飞行。

8.根据权利要求7所述的随机共振微弱信号检测方法,其特征在于:所述步骤(5)中下一次萤火虫迭代的位置由下式(10)计算得到:式(10)中:xi(t+1)表示在t+1时刻第i只萤火虫的位置,s(t)表示变化步长;该变化步长s(t)采用下式(11)的关系变化:式(11)中:smin是s的最小值,取smin=10-4,smax为s的最大值,取smax=1,初始步长s(0)=

0.03,tmax为迭代次数的最大值,取tmax=100,g(t)为当前迭代次数;

所述步骤(5)中在更新萤火虫位置后,根据下式(12)完成更新位置后萤火虫的动态决策域更新:式(12)中: 为迭代到t+1代时,第i只萤火虫的动态决策域半径;rs表示单只萤火虫的感知半径;β表示动态决策域的更新率,取值为0.08;Ni(t)表示迭代到第t代时,在其动态决策域内比第i只萤火虫亮的萤火虫数目。

9.根据权利要求1所述的随机共振微弱信号检测方法,其特征在于:所述PCVSGSO参数初始化过程如下:给各只萤火虫分配同样大小的荧光素l0与感应范围γ0,形成萤火虫初始的种群,并且将萤火虫的初始移动步长设为s(0)、最大迭代次数Tmax、维度D与萤火虫种群规模m,在搜索空间内随机产生初始的萤火虫位置向量:xi=(xi1,xi2,...,xiD)(i=1,2,...,m)   (1)式(1)中:xi是萤火虫种群内第i只萤火虫所在的位置。