焦尚彬-西安理工大学博士、硕士研究生导师信息简况表
保偏光纤Bragg光栅传感特性的实验研究
第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年4月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Apr. 2008收稿日期：2008-03-20基金项目：国家自然科学基金（50775180），西安理工大学特色研究计划（102-210614）作者简介：魏颖(1981-)，女，河北蠡县人，硕士，主要研究方向为光电测量技术。
Email:weiying0312@导师简介：焦明星(1962-)，男，陕西高陵人，博士，教授，博士生导师、主要研究方向为激光传感与测量技术方面。
Email: jiaomx@保偏光纤Bragg 光栅传感特性的实验研究魏 颖，焦明星（西安理工大学 机械与精密仪器工程学院 精密仪器系，陕西 西安 710048）摘要：设计了一种基于保偏光纤Bragg 光栅（PMFBG ）的横向负载传感方案，实验研究了PMFBG 对横向负载、轴向应变和温度的传感特性。
研究结果表明：PMFBG 两谐振波长对温度和轴向应变的灵敏度近似相等，而对横向负载的灵敏度各不相同；PMFBG 两谐振波长之差对横向负载的灵敏度取决于负载作用方向与保偏光纤快轴（或慢轴）之间的夹角，而不受温度和轴向应变的影响，实验得到的最高灵敏度为0.031 nm/kg 。
基于PMFBG 的横向负载传感测量系统在称重等领域具有广阔应用前景。
关键词：保偏光纤； 光纤Bragg 光栅； 横向负载； 温度； 轴向应变中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(几何量)-0107-04Experimental study on the sensing characteristics ofpolarization-maintaining fiber bragg gratingWEI Ying, JIAO Ming-xing(Department of Precision Instruments, Xi ′an University of Technology, Xi ′an 710048, China)Abstract: Based on the polarization-maintaining fiber Bragg grating (PMFBG), a sensing scheme of transverse load was designed, and the PMFBG sensing characteristics on the transverse load, axial strain, as well as temperature was studied experimentally. The results indicated that the two resonant wavelengths of PMFBG had nearly equal sensitivities to the temperature and axial strain, but their sensitivities to the transverse load were unequal; the sensitivity of PMFBG wavelength-difference to the transverse load depended on the angle between the load direction and the fast or slow axis of the polarization-maintaining fiber, and it was free from the changes of temperature and axial strain. The experimentally obtained sensitivity of wavelength-difference to the transverse load was as high as 0.031nm/kg. The PMFBG-based transverse load sensing and measuring system will be found wide applications in the fields of weighing, etc.Key words: Polarization-maintaining fiber; Fiber Bragg grating; Transverse load; Temperature;Axial strain0 引 言目前使用的光纤Bragg 光栅（FBG ）传感器只对温度和轴向应变敏感，而对径向应变不敏感[1]，但在实际应用中，径向应变信息的传感测量也很重要。
基于增量式切换项的模糊滑模高频开关电源控制
焦尚彬 1,2 张 磊 1 刘 丁 1,2 席振强 1
（1. 晶体生长设备及系统集成国家地方联合工程研究中心（西安理工大学） 西安 2. 陕西省复杂系统控制与智能信息处理重点实验室 西安 710048）
710048
摘要 利用状态平均法对具有感性负载 Buck 变换器进行建模。设计了一种具有增量式切换 项的模糊滑模控制器，该控制器通过模糊控制实时调整滑模控制中的切换项系数，以减小抖振并 保证系统的稳定性；通过增量式切换项克服传统滑模控制器中存在的稳态误差并降低系统对噪声 的敏感度。仿真结果表明，针对感性负载 Buck 变换器，具有增量式切换项的模糊滑模控制器控 制性能优于传统切换项模糊滑模控制器。利用所设计的控制器对超导磁体电源样机进行控制，实 验结果证明了控制方法的有效性。
5312
电工技术学报
2018 年 11 月
0 引言
为了改善应用于极大规模集成电路中的硅单晶 品质，需要对单晶炉内硅溶体的对流形态进行控制， 在炉体外部施加强磁场是一种有效途径。超导磁体 因其具有体积小、功耗低、磁场强度高等优点，近 年来在高品质硅单晶生长领域得到了广泛应用。然 而，超导磁体存在一个普遍特点，即励磁电流的微 小的波动也会引起磁场强度较大的变化，从而破坏 晶体生长的稳态环境，影响晶体品质。所以为了生 产出高品质单晶硅，超导磁体对励磁电源的精度、 稳定度和可靠性提出了更高的要求。
Keywords：High frequency switching power supply, fuzzy sliding mode control, incremental switch item, superconducting magnet power supply
国家自然科学基金重点项目（61533014）和陕西省重点研发计划（2017GY-030）资助。 收稿日期 2017-09-04 改稿日期 2018-01-03
2019西安理工大学经济与管理学院硕士研究生拟录取名单
107009061360004
王婷婷
105
经济与管理学院
020106
人口、资源与环境经
370
79.77
76.31
全日制
101459000001270
杨可
105
经济与管理学院
020106
人口、资源与环境经
368
81.00
76.56
全日制
107109613301385
杨丹
105
经济与管理学院
120202
企业管理
348
79.23
73.45
全日制
102479341212575
韩金
105
经济与管理学院
120202
企业管理
383
77.67
77.03
全日制
107009014064290
李佳佳
105
经济与管理学院
120202
企业管理
349
74.75
71.78
全日制
107019611304154
70.00
全日制
107009061361781
王婷
105
经济与管理学院
120100
管理科学与工程
357
72.37
71.79
全日制
107009061361802
马彩云
105
经济与管理学院
120100
管理科学与工程
347
79.23
73.33
全日制
107009061361795
王妍
105
经济与管理学院
120100
乘性噪声系统滤波问题研究
关键词 ： 随机 系统 ； 滤波； 乘性噪声
中图分 类 号 ： Ｐ３ Ｔ １ 文献标 志码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｌｅ ｏ ｅ ｏ ｕ ｔｐ ｉａ ｉ ｅ Ｎｏ ｓ ｓｅ ｓ ｓ ａ ｃ ｎ Ｆｉ ｒ Ｐｒ ｂｌｍ ｆ ｒ Ｍ ｌｉ ｌｃ ｔｖ ｉｅ Ｓｙ ｔ ｍ ｔ
Ａ ， ， 为系统参数 的标 称值 ， 曰 ， 。 。 。 Ａ ， 。ｃ 为噪声 向量的规范化矩阵 ， 它们均是已知的。（ 、 （ ） ）加 和
（ ）的统 计特 性 为 ：
（ ）一ｌ（ （ ） Ｖ Ｏ， ） （ ） 一ｌ（ ， （ ） Ｉ ｉ ｝ Ｖ Ｏ ） （｝ 一Ⅳ（ （ ） Ｉ ｉ ） ０， ）
ｔｒ ｃ ｍｍｅ ｄ ｂ ｙ ｏ ｏ ｎ ａ ｌ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｔ ｃ ａ ｔ ｙ ｔｍ ；ｆ ｔｒ ｙ ｗｏ ｄ ：ｓｏ ｈ ｓ ｃ ｓ ｓｅ ｉ ｉ ｅ ；ｍｕ ｔ ｌ ａ ｉｅ ｎ ｉ ｌ ｌ ｐｉ ｔ ｏｓ ｉ ｃ ｖ ｅ
一
般情 况 下 系统 在 运 行 的过 程 中状 态 和 输 出
（ ） ＝Ｅ［ ） ）］＝ ． ｉ ｝ （ （ ｛ （ Ｉｊ一１ （ 一１ ］ ［ Ｊ ｝ ）＋ Ｉ ｊ Ｊ ｝ ） ［ １．一１ （ ｌｉ一１ ］ （ １ ）＋ ｝ ） ｝＝ ｝ Ｉ
（ ｝ ） （ ｝ ）＋Ｐ（ Ｉｉ一１ １ ） ｌｉ一１ Ｉｌ一１ Ｉ Ｊ Ｉ ． ）（ ３ ｉ ｝ ｝ （ ＝ （ “（ ） ） ） （ ４ １） （ ５ １） （６ １）
（） ６
［（ 后＋１ （ ）一 ＋ｌｌ｝］ Ｉ ＝ ） ｊ ［ ０ Ｋ（ 一１ ］ （ ｌ｝ ）＋ Ａ 一 Ｉ ） Ｐ 后 一１ Ｉ ｉ
（ ） Ｓ ｋ ａｌ （ ｌ ｋ Ｂｌ ． Ａ１ （ ） ＋ ｉ ｝ ） Ｓ （ ） ＋Ｑ
结构性黄土的本构模型
曲线的斜率；e0 为土的初始孔隙比； p 0 为一个参考
p 压力，并且当 p 0 等于参考压力时， ε v = 0。
上式的增量形式的表达式可表述如下： λ − κ ∆Ρ p ∆ε v = 1 + e0 Ρ
(6)
∂f {∆ε } = [C ]{∆σ ′} + A1
∂g ∆f + A2 * ∆g ′ ∂σ ∂σ
n
α 1 + αs 2
(14)
3 模型参数的确定
在上面所建立的本构模型中，必须通过试验来 确定 6 个计算参数，即 M， λ ，κ ，α ，q0，qm 等。 参数 M 和 λ 应随损伤参数的变化而变化，这是因为 随着土的团粒的破碎，土的强度应当减小而压缩性 应当增大。再者，土的再压和回弹系数 κ 从应用简 单的方面考虑，一般取为一个常量。 参数 M 与土的内摩擦角有关，采用如下关系 式： M = 1 + n sin ϕ ，如果 ϕ 0 和 ϕ 1 分别是相应未
Abstract：Natural sedimentary loess has structural properties，and it shows different mechanical properties before and after structural failure. Laboratory tests are performed to reveal the structural properties and collapsible deformation characteristics. The yield function and damage function of the unsaturated loess are established based on the principle of loess damage evaluation principle，the relationship between stable porous ratio and stable state of wholly-disturbed saturated clay，and the fact that inverse deformation is caused by the slip and crash among masses. The constitutive mathematical model of unsaturated natural loess is set up，by which loading process and other properties can be simulated. This model has clear physical meaning and the numerical calculation by it agrees well with tests. Key words：rock and soil mechanics；natural loess；structural property；collapsible deformation；damage function；damage evolution principle；constitutive model 性变形特性。这种类型的弹–塑本构模型看起来
Mn、Zr和Ca共掺杂KNN基单晶的无籽晶固相法生长、结构和压电性能研究
陕 西 师 范 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．４
２０２１年７月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｊｕｌ．，２０２１
■ 电介质物理和材料专刊（主持人：陈晓明）
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｇｕａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｌｅａｄｆｒｅｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｗｉｔｈｎｏｍｉｎａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ９９．３Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３ ０．４ＬｉＢｉＯ３０．３ＣａＺｒＯ３（ＫＮＮＬＢＣＺ）ｄｏｐｅｄｗｉｔｈ ＭｎＯ２ ｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙａｓｅｅｄｆｒｅｅ，ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅ ｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆ ＭｎＯ２ ｃｏｎｔｅｎｔｏｎｔｈｅｇｒｏｗｔｈ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＫＮＮＬＢＣＺｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆ ＭｎＯ２ｉｎｈｉｂｉｔｓｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒｏｗｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．ＷｈｅｎｔｈｅＭｎＯ２ｃｏｎｔｅｎｔｉｓｉｎ
犛狋狌犱狔狅狀狋犺犲狊犲犲犱犳狉犲犲狊狅犾犻犱狊狋犪狋犲犵狉狅狑狋犺，狊狋狉狌犮狋狌狉犲犪狀犱狆犻犲狕狅犲犾犲犮狋狉犻犮 狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳犕狀，犣狉犪狀犱犆犪犮狅犱狅狆犲犱犓犖犖犫犪狊犲犱狊犻狀犵犾犲犮狉狔狊狋犪犾狊
ＪＩＡＮＧ Ｍｉｎｈｏｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ，ＳＯＮＧＪｉａｇｅｎｇ， ＬＵ Ｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧＺｈａｏｗｅｉ，ＬＩＷｅｎｄｉ，ＬＩＬｉｎ （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｌｉｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
乘性和加性α稳定噪声环境下的过阻尼单稳随机共振现象
乘性和加性α稳定噪声环境下的过阻尼单稳随机共振现象∗焦尚彬†任超李鹏华张青谢国(西安理工大学自动化与信息工程学院,西安710048)(2013年11月22日收到;2013年12月25日收到修改稿)本文将α稳定噪声与单稳随机共振系统相结合,研究了乘性和加性α稳定噪声环境下的过阻尼单稳随机共振现象,探究了α稳定噪声特征指数α(0<α 2)、对称参数β(−1 β 1),单稳系统参数a及乘性α稳定噪声放大系数D对共振输出效应的作用规律.研究结果表明,在不同分布的α稳定噪声环境下,在一定范围内通过调节a或D均可诱导随机共振来实现单个或多个高、低频微弱信号的检测,且a和D分别存在一个最优值可使系统产生最佳的随机共振效应;不同α或β均可对系统共振输出效应产生规律性的影响,且α或β在高、低频微弱信号检测中的作用规律相同;在研究α稳定噪声环境下单、多频单稳随机共振现象时所得结论是相同的.本研究结果可为实现α稳定噪声环境下单稳随机共振系统参数的自适应调节奠定基础.关键词:单稳随机共振,α稳定噪声,微弱信号检测,平均信噪比增益PACS:05.45.–a,05.40.–a,05.40.Ca,05.40.Fb DOI:10.7498/aps.63.0705011引言传统的微弱信号检测方法大多都是通过抑制噪声来实现微弱信号检测的,而随机共振(stochas-tic resonance,SR)噪声增强的反常机理为微弱信号的检测开辟了新的思路.SR最早被发现存在于非线性双稳态系统中,随着研究的不断深入,1993年Stocks等[1]首次发现了欠阻尼单稳态系统的SR 现象,随后单稳SR现象受到了学者们的关注,并取得了相应的进展[2−11].康等[12]研究了单模非线性光学系统中的单稳SR现象,并对单稳系统发生SR 的一般条件给予了分析,认为无论在多稳或单稳情形下,SR现象都会发生.Guo等[13,14]研究了乘性和加性高斯噪声共同作用下的单稳SR现象,通过分析发现加入乘性噪声后可将单稳系统等效为双稳系统进行研究.综观已有的单稳SR研究成果,其基本上都是假设在高斯噪声的条件下取得的.α稳定分布是一种能够保持自然噪声过程的产生机理和传播条件的极限分布,它能够非常好地与实际数据相符合,高斯分布只是它的一个特例[15],故用α稳定分布描述的α稳定噪声要比高斯噪声更具有代表性,近几年来α稳定噪声环境下的双稳SR现象受到了学者们的广泛关注,并且取得了很大的进展[16−21].而α稳定噪声环境下的单稳SR现象的相关研究只是刚刚起步.Dybiec[22]研究了受周期性调制Lévy 噪声扰动的四阶单势阱系统的SR现象.相对于双稳系统而言,单稳系统具有系统参数少、结构简单等优点,故对其进行研究是十分有意义的.在实际中,待检测信号频率可能不止一个,并且可能是高频信号,这就超出了SR理论所要求的频率范围[23].因此,需要对多个低频、高频微弱信号的检测问题展开研究.然而到目前为止,有关α稳定噪声环境下多频微弱信号检测的单稳SR现象的研究尚未见相关报道.文献[24]已对α稳定噪声环境下的多频双稳∗国家自然科学基金(批准号:61304204)和陕西省教育厅自然科学专项基金(批准号:2013JK1050)资助的课题.†通讯作者.E-mail:jsbzq@©2014中国物理学会Chinese Physical Society SR现象进行了研究,所得结论可为实现α稳定噪声环境下双稳SR系统参数的自适应调节奠定基础.本文在文献[24]的研究基础上,对α稳定噪声环境下的多频单稳SR现象进行了研究,主要研究内容包括以下几个方面:本文在对称和非对称、乘性和加性α稳定噪声环境下,先对多个低频微弱信号激励的单稳SR现象进行研究,随后结合参数补偿的方法对多个高频微弱信号激励的单稳SR现象进行研究,探究α稳定噪声特征指数α(0<α 2)、对称参数β(−1 β 1),单稳系统参数a及乘性α稳定噪声放大系数D对共振输出效应的作用规律.针对α稳定噪声环境下的单稳SR现象,得出了与文献[24]所研究的双稳SR现象不一样的结论.2模型与方法由于α稳定分布模型(即特征函数)及α稳定噪声的产生方法(Janicki-Weron算法,JW算法)已在文献[24—26]中有了详细的说明,故本文中不再赘述.由α稳定分布的特征函数可知,α稳定噪声的分布特征是由特征指数α∈(0,2]、对称参数β∈[−1,1]、尺度参数σ∈[0,+∞)及位置参数µ∈(−∞,+∞)四个参数来决定的,通常记α稳定分布为Sα(σ,β,µ).2.1单稳SR系统模型单稳SR系统有多种模型[2−5,13,27],本文仅考虑其中一种典型模型所描述的α稳定噪声环境下的过阻尼单稳SR系统,其模型如下:d x/d t=−U′(x)+s(t)+ηα(t),(1)式中,U(x)为非线性单稳态势函数,U(x)= (a/4)x4,a为系统参数,且a>0;ηα(t)为加性α稳定噪声,代表外噪声;s(t)为输入信号,在本文中为多频叠加信号,如下式所示:s(t)=n∑i=1A i sin(2πf i t),i=1,2,···,n,(2)(2)式中,A i为第i路信号幅值,f i为第i路信号频率,n表示输入信号的数量.过阻尼单稳SR系统因其势函数为单势阱而得名,但随着乘性噪声的加入,其可以形成势垒,产生两个势阱,进而可以等效为双稳SR系统来研究.由于乘性噪声是随机变化的,故所形成势垒的高度也就是一个随机量,这与双稳SR系统是有所区别的.受乘性和加性α稳定噪声驱动的过阻尼单稳SR系统可用如下的朗之万(Langevin)方程[6,13]进行描述:d x/d t=−ax3+xDξα(t)+s(t)+ηα(t),(3)式中,ξα(t)为乘性α稳定噪声,代表信号在传输过程中信道内部依附于信号而存在的内噪声,其噪声分布参数设置与ηα(t)相同;D代表ξα(t)的放大系数,通过改变D可以间接地改变ξα(t)的强度;其余参数含义不变.本文采用四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)算法对(3)式进行求解,具体解法见文献[18,21,24].由于特征指数α越小,α稳定分布的脉冲性就越强,这就导致粒子在长时间跳跃过程中路径变化很快以至无限大,因此,在数值模拟中需要对输出信号x(t)进行人为的截断[19,21,28],来解决粒子跳跃轨迹无限大的问题,文中所采取的截断措施为:当|x(t)|>5时,令x(t)=sign(x(t))×5.2.2信噪比增益及平均信噪比增益信噪比增益是衡量SR系统对输入信号增强和改善作用的重要指标,只有当信噪比增益大于1时,才能说明SR系统对信号具有明显的增强和改善作用[23,29],并且信噪比增益越大检测效果越好.假设输入信号为(2)式所示多频信号,第i路信号的信噪比增益记为G i,则其定义如下:G i=SP(ωi)out/NP(ωi)outSP(ωi)in/NP(ωi)in,(4)(4)式中,SP(ωi)in和SP(ωi)out分别表示SR前后第i路信号的功率,NP(ωi)in和NP(ωi)out分别表示在第i路输入信号频率处系统的输入输出平均噪声功率.为了衡量SR系统对多个频率信号的整体检测效果,利用平均信噪比增益对SR系统输出效应进行衡量.平均信噪比增益记为MG,其定义如下: MG=1nn∑i=1G i i=1,2,···,n,(5)式中各参数含义不变.2.3参数补偿SR目前,处理高频微弱信号的方法有二次采样[30−32]、调制[33]以及参数补偿[24,34,35]等.与二次采样、调制等方法相比,参数补偿法不受采样频率以及要求待检测信号频率已知等因素的影响,只需知道待检测信号频率所处的大致频段即可,从而提高了高频微弱信号检测的灵活性,因此本文采用参数补偿的方法来实现高频微弱信号的SR检测,其原理如下:假设输入信号s(t)=A sin(2πft),则(3)式变为d x(t)/d t=−ax3(t)+Dξα(t)x(t)+A sin(2πft)+ηα(t).(6)对(6)式左右两边同时对t进行积分可得系统输出为x(t)=∫[−ax3(t)+Dξα(t)x(t) +A sin(2πft)+ηα(t)]d t=∫[−ax3(t)+Dξα(t)x(t)]d t +∫A sin(2πft)d t+∫ηα(t)d t=∫[−ax3(t)+Dξα(t)x(t)]d t−A2πfcos(2πft)+∫ηα(t)d t.(7)从(7)式右边第二项可以看出,输入信号s(t)在经过单稳系统时,其幅值会被积分环节(阻尼项)缩减为原信号的1/2πf,输入信号的频率越高,被缩减的程度就越大,这样高频信号即使经过单稳系统的处理,输出信号中也无法发现高频信号的存在.因此,可以在Langevin方程中加入一个放大环节来抵消阻尼项的影响加入放大环节后的Langevin方程变为d x/d t=K[−ax3+xDξα(t)+s(t)+ηα(t)],(8)式中,K为补偿参数,理论上K的取值要与2πf相当,但在仿真实验中,为了取得相对较好的检测效果,K的取值一般要大于2πf;其余参数含义不变.3α稳定噪声环境下的多频微弱信号检测及单稳SR现象根据SR的相关理论可知,势垒的高低直接影响着SR系统的输出效应.势垒高度越高,就要求输入信号和噪声具有较多的能量才能产生SR现象;反之,产生SR现象所要求的输入信号和噪声能量就越小.根据双稳系统势垒高度的定义式[23]可得乘性α稳定噪声作用下单稳系统势垒高度的表达式为∆U=(Dξα(t))2/4a,(9)从式中可以看出势垒高度是由系统参数a、α稳定噪声分布参数(α,β,σ,µ)及乘性α稳定噪声放大系数D共同决定的,因此,本文将在α和β分别取不同值时,研究在一定范围内通过调节a或D来实现高、低频(均为多频)微弱信号检测的SR现象,探究不同α,β,a和D对系统共振输出效应的作用规律.需要说明的是,文中所给出的MG随a和D 的演变规律曲线均是取20次实验的平均值绘制而成的.3.1低频(多频)微弱信号检测的单稳SR现象在研究低频(多频)微弱信号检测的单稳SR现象时,仿真实验中所选取的淹没在α稳定噪声中的输入信号为s(t)=A1sin(2πf1t)+A2sin(2πf2t)+A3cos(2πf3t),(10)式中,A1=A2=A3=0.8,f1=0.01Hz, f2=0.03Hz,f3=0.05Hz.另外,令α稳定噪声服从S1(1,0,0),a=0.1,D=0.374,采样频率为f s=7.306Hz.仿真实验,结果如图1所示.图1(a)为输入信号与α稳定噪声混合信号的时域图,图1(b)为图1(a)的局部放大图.从图1(a)和(b)中可以看出,输入信号完全被α稳定噪声所淹没,无法从时域图中得到输入信号的时域信息.对上述混合信号进行快速傅里叶变换(FFT)得到其功率谱如图1(c)所示,从该图中也无法得到输入信号的频率信息.将该混合信号作为输入信号送入单稳SR系统,然后调节a和D,当a=0.1和D=0.374时,SR系统输出功率谱如图1(d)所示,从图中可以清晰地看出,在频率0.01 Hz,0.03Hz及0.05Hz处出现了三个明显的尖峰,这三个尖峰所对应的频率恰恰就是混合信号中三个输入信号的频率.说明通过改变a和D有效地调节了势垒高度使粒子有足够的能量越过势垒,在加入乘性α稳定噪声后的单稳系统的两个势阱间周期性的跳跃,即达到了SR状态,实现了α稳定噪声环境下多个低频微弱信号的单稳SR检测.t /st /sК ϙК ϙf /Hzf /HzКҪ ϙ50010001500 ѣҪ ϙ图1(a)系统输入时域图;(b)系统输入时域图的局部放大图;(c)系统输入功率谱图;(d)系统输出功率谱图(多个低频信号)为了明确多个低频微弱信号检测时α,β,a 及D 与单稳系统的共振输出效应之间的关系,展开如下仿真实验研究.3.1.1不同特征指数α下的低频单稳SR令α分别为0.5,0.8,1,1.2和1.5,其余噪声分布参数分别为β=0,σ=1,µ=0,s (t )和f s 不变.固定D =0.374,仿真实验得到MG 随a 的演变规律曲线如图2所示.固定a =0.1,仿真实验得到MG 随D 的演变规律曲线如图3所示.10001500M Ga图2不同α作用下MG 随a 的演变规律曲线(低频)DM G图3不同α作用下MG 随D 的演变规律曲线(低频)从图2中可以看出,当α取不同值时,MG 随a 均是非线性变化的,且对于每一个α,MG 都存在一个最大值,说明对于a 而言,存在一个最优值可使系统产生最佳的SR 效应.通过对α=1时MG 随a 的演变规律曲线分析发现,当a 从零开始逐渐增大到0.1的过程中,势垒高度在不断的降低,此时粒子发生跃迁所需的能量也在逐渐减少,即粒子逐渐变得更容易发生跃迁,因此,MG 随着a 的增大呈上升趋势;当a =0.1时,输入信号、噪声及非线性系统三者之间达到了最佳的匹配关系,系统产生了最佳的SR效应,MG也达到了最大值;当a从0.1开始继续增大时,势垒高度仍在不断的降低,以至于使加入乘性α稳定噪声的单稳系统的双势阱又逐渐变成了单势阱,此过程中,粒子也将从在双势阱中的周期性跃迁逐渐变为单势阱内的小幅波动, SR现象随之逐渐消失,故MG随着a的继续增大呈逐渐下降的趋势.从图3中也可以看出,当α取不同值时,MG随D也是非线性变化的,且对于每一个α,MG都存在一个最大值,说明对于D而言,也存在一个最优值可使系统产生最佳的SR效应.通过对α=1时MG随D的演变规律曲线分析发现,当D从零开始逐渐增大到0.374的过程中,随着乘性α稳定噪声的加入,单稳系统的势函数逐渐由单势阱变成了双势阱,粒子也将从在单势阱内的小幅波动逐渐变为双势阱中的周期性跃迁,SR现象随之逐渐产生,故MG随着D的增大呈逐渐上升的趋势;当D=0.374时,输入信号、噪声及非线性系统三者之间达到了最佳的匹配关系,系统产生了最佳的SR效应,MG也达到了最大值;当D从0.374开始继续增大时,势垒高度在不断的增加,输入信号和噪声所提供的能量逐渐不足以使粒子在两个势阱间周期性的跃迁,SR现象随之逐渐消失,故MG 随着D的继续增大呈逐渐下降的趋势.当α分别为0.5,0.8,1.2和1.5时,MG随a或D的演变规律曲线所呈现出的非线性特征及其机理与α=1时的情形是相同的.另外还发现,当α取不同值时,共振效应相对较好的a或D区间基本都集中在同一个区域;当α>1时,随着α的增大,单稳系统的共振输出效应呈逐渐递减的趋势,当α<1时,随着α的减小,单稳系统的共振输出效应呈逐渐递减的趋势.3.1.2不同对称参数β下的低频单稳SR令β分别为−1,0和1,其余噪声分布参数分别为α=1.2,σ=1,µ=0,s(t)和f s不变.固定D=0.374,仿真实验得到MG随a的演变规律曲线如图4所示.固定a=0.1,仿真实验得到MG随D的演变规律曲线如图5所示.从图4和图5中可以看出,当β取不同值时, MG随a或D均是非线性变化的,且对于每一个β, MG都存在一个最大值,说明对于a或D而言,存在一个最优值可使系统产生最佳的SR效应;当β取不同值时,共振效应相对较好的a或D区间基本都集中在同一个区域;β=0时的MG要高于β=0时的MG,即α稳定噪声呈对称分布时单稳系统的共振输出效应要好于非对称分布时的情形.50100150200250300aMG图4不同β作用下MG随a的演变规律曲线(低频)DMG图5不同β作用下MG随D的演变规律曲线(低频) 3.2高频(多频)微弱信号检测的单稳SR现象在研究高频(多频)微弱信号检测的单稳SR 现象时,仿真实验所选取的输入信号如(10)式所示,其中A1=A2=A3=1,f1=1000Hz, f2=2000Hz,f3=3000Hz.另外,令α稳定噪声服从S1(1,0,0),a=0.01,D=0.374,f s=204800 Hz,K=100000.仿真实验,结果如图6所示.图6(a)和(b)分别为输入信号与α稳定噪声混合信号的时域图和功率谱图,从这两幅图中可以看出,输入信号完全被α稳定噪声所淹没,无法得到输入信号的时频域信息.同样,将该混合信号作为输入信号送入单稳SR系统,然后调节a和D,当a=0.01和D=0.374时,SR系统输出功率谱如图6(c)所示,从图中可以清晰地看出,在频率1000Hz,2000Hz 及3000Hz 处出现了三个明显的尖峰,这三个尖峰所对应的频率恰恰也是混合信号中三个输入信号的频率.说明在实现α稳定噪声环境下多个低频微弱信号的单稳SR 检测的基础上,结合参数补偿的方法可进一步实现α稳定噪声环境下多个高频微弱信号的单稳SR 检测.t /sК ϙf /Hzf /HzКҪ ϙѣҪ ϙ图6(a)系统输入时域图;(b)系统输入功率谱图;(c)系统输出功率谱图(多个高频信号)为了明确多个高频微弱信号检测时α,β,a 及D 与单稳系统的共振输出效应之间的关系,进一步按研究多个低频微弱信号激励的单稳SR 现象的方法对不同α或β作用下的多个高频微弱信号激励的单稳SR 现象展开了研究,得到了MG 与a 及MG 与D 之间的演变规律曲线,分别如图7、图8、图9和图10所示.图7和图8中的小图为大图的局部放大图(大小图中的坐标及线条设置相同),以便更清晰地观察纵坐标接近于零时曲线的变化趋势.100015002000250030003500aM G图7不同α作用下MG 随a 的演变规律曲线(D =0.374,β=0,高频)DM G图8不同α作用下MG 随D 的演变规律曲线(a =0.01,β=0,高频)aM G图9不同β作用下MG 随a 的演变规律曲线(D =0.374,α=1.2,高频)图7、图8、图9及图10显示了在不同α或β作用下,多个高频微弱信号激励单稳SR 系统时MG 随a 或D 的演变规律曲线.通过分析发现,在进行高、低频(均为多频)微弱信号检测时MG 随a 或D 的演变规律是一致的.DM G图10不同β作用下MG 随D 的演变规律曲线(a =0.01,α=1.2,高频)通过对上文中MG 随a 或D 演变规律的分析发现,可使单稳系统产生相对较好的SR 效应的a 或D 区间只有一个,而文献[24]中发现有多个系统参数(a 或b )区间可使双稳系统产生相对较好的SR 效应.4α稳定噪声环境下的单频微弱信号检测及单稳SR 现象本文以信噪比增益G i (此时只有一路信号,故i =1)为α稳定噪声环境下单频单稳SR 现象的衡量指标,以研究α稳定噪声环境下多频单稳SR 现象的方法对α稳定噪声环境下单频单稳SR 现象展开了研究,并得到了相应的实验结果.通过对实验结果进行分析总结发现,在研究α稳定噪声环境下单、多频单稳SR 现象时所得结论是一致的.限于篇幅,文中仅给出α稳定噪声环境下单个低频微弱信号的单稳SR 检测结果,如图11所示,其他规律曲线不再给出.-4000-3000-2000-1000010002000t /sКϙКҪϙf /Hzf /HzѣҪ ϙ图11单个低频微弱信号检测结果(a)系统输入时域图;(b)系统输入功率谱图;(c)系统输出功率谱图(A =0.8,f =0.02Hz,α稳定噪声服从S 1(1,0,0),a =0.1,D =0.32,f s =9Hz)5结论本文将α稳定噪声与单稳随机共振(SR)系统相结合,研究了乘性和加性α稳定噪声环境下单、多频微弱信号激励的单稳SR 现象.探究了α稳定噪声分布参数α,β,单稳系统参数a 及乘性α稳定噪声放大系数D 与单稳系统共振输出效应之间的关系,揭示了α,β,a 及D 对单稳系统共振输出效应的作用规律.得到如下结论:1)在一定范围内,通过调节a或D均可实现α稳定噪声环境下单个或多个低频微弱信号的单稳SR检测,结合参数补偿的方法,可以进一步实现单个或多个高频微弱信号的单稳SR检测.2)当α或β取不同值时,平均信噪比增益(MG)随a或D均是非线性变化的,且对于每一个α或β,MG都存在一个最大值,即对于a或D而言,存在一个最优值可使系统产生最佳的SR效应.另外,共振效应相对较好的a或D区间基本都集中在同一个区域.3)当α>1时,单稳系统的共振输出效应随α的增大而减弱;当α<1时,单稳系统的共振输出效应随α的减小而减弱.4)β=0时的MG要高于β=0时的值,即α稳定噪声呈对称分布时单稳系统的共振输出效应要好于非对称分布时的情形;5)在高、低频微弱信号检测中,α或β对单稳系统共振输出效应的作用规律是相同的;6)在研究α稳定噪声环境下单、多频单稳SR现象时所得结论是一致的.上述结论将有助于自适应调参单稳SR系统中参数的合理选取,为实现α稳定噪声环境下微弱信号单稳SR检测的实际工程应用奠定基础.参考文献[1]Stocks N G,Stein N D,McClintock P V E1993J.Phys.A:Math.Gen.26L385[2]Vilar J M G,Rub J M1996Phys.Rev.Lett.772863[3]vstigneev M,Reimann P,Pankov V,Prince R H2004Europhys.Lett.657[4]Zhang W,Xiang B R2006Talanta70267[5]Guo F,Huang Z Q,Fan Y,Li S F,Zhang Y2009Chin.Phys.Lett.26100504[6]Zhou B C,Xu W2009Chaos,Solitons&Fractals40401[7]He C D,Xu W,Yue X L2010Acta Phys.Sin.595276(in Chinese)[何成娣,徐伟,岳晓乐2010物理学报595276][8]Zhou Y R2011Chin.Phys.B20010501[9]Li J M,Chen X F,He Z J2011Journal of MechanicalEngineering4758(in 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the resonance output effect. Results show that different distributions ofαstable noise,the single or multiple low-and high-frequency weak signals detection can be realized by adjusting the parameter a or D within a certain range.For a or D,respectively,there is an optimal value which can make the system produce the best SR effect.Differentαorβcan regularly change the system resonance output effect.Moreover,whenαorβis given different values,the evolution laws in the monostable SR system excited by low-and high-frequency weak signals are the same.The conclusions drawn for the study of single-and multi-frequency monostable SR withαstable noise are also the same.These results will be the foundation for realizing the adaptive parameter adjustment in the monostable SR system withαstable noise.Keywords:monostable stochastic resonance,αstable noise,weak signal detection,mean of signal-to-noise ratio gainPACS:05.45.–a,05.40.–a,05.40.Ca,05.40.Fb DOI:10.7498/aps.63.070501*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61304204),and the Natural Science Foundation of the Education Department of Shaanxi Province,China(Grant No.2013JK1050).†Corresponding author.E-mail:jsbzq@。
基于DSP的自适应随机共振微弱信号检测方法
基于DSP的自适应随机共振微弱信号检测方法
焦尚彬;寇洁;张青
【期刊名称】《国外电子测量技术》
【年(卷),期】2016(0)3
【摘要】随机共振是一种有效检测微弱信号的非线性方法,对它的研究和实现具有重要的工程应用价值。
针对工业现场存在的背景噪声未知的高频微弱信号(不满足绝热近似理论条件)的随机共振检测问题,提出了基于参数补偿的自适应参数诱导随机共振方法,以系统输出信噪比作为适应度函数,将系统势垒与噪声强度大致相等时可产生最佳的随机共振效应作为知识,采用基于知识的粒子群优化算法来并行优化随机共振系统的参数。
设计了基于DSP的自适应随机共振检测系统,实现了对信号的实时处理,并通过Modbus Rtu协议将检测结果实时显示在触摸屏上,从而实现微弱信号的检测。
【总页数】5页(P32-36)
【关键词】参数诱导随机共振;知识的粒子群算法;自适应参数优化;DSP
【作者】焦尚彬;寇洁;张青
【作者单位】西安理工大学自动化与信息工程学院,西安710048;陕西省复杂系统控制与智能信息处理实验室,西安710048
【正文语种】中文
【中图分类】TP274;TN911.23
【相关文献】
1.基于并联自适应随机共振的微弱信号检测方法 [J], 张勇亮;李国林;张晓瑜
2.基于随机共振原理检测微弱信号及自适应的研究 [J], 冯元
3.基于自适应随机共振高频微弱信号检测 [J], 郑文秀;吕航
4.基于自适应随机共振高频微弱信号检测 [J], 郑文秀;吕航;
5.采用知识的粒子群算法的多频微弱信号自适应随机共振检测方法 [J], 焦尚彬;李鹏华;张青;黄伟超
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西安理工大学博士、硕士研究生导师信息简况表
学院（部）名称： 自动化学院
姓 名
焦尚彬 性 别 男 出生年月 1974,11 民 族
汉 政治面貌 党员 职 称 副教授 所在单位
西安理工大学 导师类别（博/硕）硕 通讯方式
E-mail：jiaoshangbin@
招生学科专业
研究领域或研究方向 1.新型传感器与检测技术 2.嵌入式计算机控制与自动化装置 个人简介
一、学习及工作经历：
1993,09-1997,07，西安理工大学，本科；1999,09-2002,04，西安理工大学，硕士；2002,09-2006,04，
西安理工大学，博士。
2002，04-至今，西安理工大学任教，副教授，硕士导师，主要讲授《微机原理及应用》
、《单片机与嵌入式系统》等课程。
二、科研成果（发表论文或出版著作、获奖及专利等）：
在《中国电机工程学报》、《仪器仪表学报》、《系统仿真学报》、《人工晶体学报》、《电力系统自动化》等国内重要学术期刊和国际会议发表相关发表学术论文30余篇，EI 检索18篇；获国家发明奖二等奖1项，获陕西省科技奖一等奖1项，陕西省高等学校科技奖一等奖1项；获批国际发明专利（美国）1项，获批中国发明专利3项，获批中国实用新型专利5项。
三、承担科研项目：
承担国家重大专项1项，科技部产学研创新支撑计划2项，教育部重点科技计划1项，陕西省自然科学基金1项，教育厅科技计划专项2项，西安市创新支撑计划1项，总计经费66万元；主持企业委托横向课题6项，总计经费361万元。