基于混沌理论的微弱信号检测原理及其在金属探测器中的应用研究

论文摘要

金属探测器是一种金属检出设备,它利用电磁感应的物理原理,对混合物品或人体中的金属物质产生感应信号,以达到检出或剔除的目的。随着生活水平的日益提高,人们对食品、医药及纺织品等的安全要求也同益提高。在上述产品中,金属杂质含量是检验其质量的重要指标。因此,对这类物品进行金属检测,以将不合格产品检出就尤为必要。目前,由于技术所限,高精度金属探测器主要依赖进口,虽然性能较高,但是价格昂贵。随着现代工业生产向着高精度、高品质发展,以及顾客对产品质量的要求日益增加,高精度的金属探测器市场将会十分广阔。因此,研发一种高精度且成本相对较低的金属探测器产品,具有非常可观的经济效益。此外,实现核心技术的自主化,还能摆脱对国外产品的依赖,具有相当的社会效益。混沌理论是一门发展迅速的前沿学科,被誉为二十世纪三大学术成果之一。混沌的一项基本特征是初值敏感性,即混沌系统的每个初值都分别对应一条唯一的运动轨道,初值的微小变化会导致混沌系统运动轨道的巨大变化。假设用一微弱信号去扰动混沌系统的初值,然后利用其初值敏感性,通过检测混沌轨道的变化情况就可以反向推断出初值的微小变化,从而检测出微弱信号的存在,这就是利用混沌检测微弱信号的理论依据。杜芬振子是一个典型的混沌系统,它所描述的非线性动力学系统包括周期振荡、分岔、混沌等复杂状态,是研究混沌理论的重要模型之一。本文以杜芬振子作为研究模型,推导并分析了杜芬振子的数学方程和运动轨迹,并根据其数学模型在Matlab/Simulink环境中建立起杜芬振子的仿真模型,分别研究并仿真杜芬振子基于策动力扰动和阻尼比扰动的微弱信号检测原理。传统的策动力扰动法对待检测信号的频率有严格的要求,因此大大限制了杜芬振子可检测的信号范围。基于这一现状,本文提出了一种通过扰动系统阻尼比来检测微弱信号的新方法,这一方法令待检测信号不再受频率的限制,使杜芬振子的应用范围更加广泛。阻尼比扰动检测法的优点是对待检测信号的频率解除了限制,但缺点是失去了对随机噪声信号的天然免疫力,因此本文进一步对基于阻尼比扰动的杜芬振子进行了噪声分析,提出了对待检测信号进行去噪预处理、并对混沌信号本身进行小波去噪的方法,并分析了杜芬系统的稳定性问题。在充分研究了杜芬混沌振子微弱信号检测原理的基础上,本文提出一种将混沌检测系统应用到金属探测器中去的新思路,即把新颖的混沌理论与传统的金属探测仪相结合,分析用混沌系统检测金属信号的可行性,设计出相应的杜芬检测实验电路,并搭建了一种混沌金属探测仪样机进行实验并分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 混沌理论概述
• 1.1.1 混沌的定义
• 1.1.2 混沌的基本特征
• 1.1.3 混沌理论的应用意义
• 1.2 传统的微弱信号检测方法及问题
• 1.3 课题的意义及论文主要工作
• 第二章 混沌运动的特性分析及仿真
• 2.1 混沌运动轨道的基本特征
• 2.2 混沌运动的判别方法研究
• 2.2.1 相轨迹图判别法
• 2.2.2 频闪采样判别法
• 2.2.3 庞加莱截面判别法
• 2.2.4 李雅普诺夫指数判别法
• 2.2.5 功率谱判别法
• 2.2.6 测度熵判别法
• 2.3 通往混沌运动的道路研究与仿真
• 2.3.1 倍周期分岔进入混沌
• 2.3.2 阵发性进入混沌
• 2.4 本章小结
• 第三章 杜芬混沌振子微弱信号检测原理的研究与仿真
• 3.1 杜芬振子的数学模型研究
• 3.1.1 根据物理模型推导杜芬方程
• 3.1.2 杜芬振子的数学模型分析
• 3.1.3 杜芬数学模型的参数敏感性分析
• 3.2 杜芬振子的运动轨道分析
• 3.3 杜芬振子仿真模型的研究与分析
• 3.3.1 策动力扰动杜芬振子的微弱信号检测原理研究与仿真
• 3.3.2 阻尼比扰动杜芬振子的微弱信号检测原理研究与仿真
• 3.4 杜芬振子混沌特性的分析与验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于阻尼比扰动的杜芬系统去噪处理及稳定性分析
• 4.1 待检测信号的预处理去噪
• 4.1.1 同步累积去噪法的分析
• 4.1.2 取样积分去噪法的分析
• 4.2 混沌信号与随机噪声的区别分析
• 4.3 混沌信号的小波去噪原理研究
• 4.3.1 小波去噪原理的分析与仿真
• 4.3.2 阈值选取和处理方法的分析与仿真
• 4.3.3 小波去噪与传统混沌去噪方法的仿真比较
• 4.4 杜芬混沌检测系统的稳定性研究
• 4.4.1 传统非线性系统解的形式
• 4.4.2 非线性系统解的稳定性定义
• 4.4.3 杜芬系统稳定性的计算与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 杜芬检测系统在金属探测仪中的应用研究
• 5.1 电路仿真软件EWB简介
• 5.2 非线性电路设计中常用的单元电路
• 5.3 杜芬信号检测电路的设计与仿真
• 5.4 杜芬检测电路的具体实现
• 5.4.1 乘法器的实现
• 5.4.2 信号发生器的实现
• 5.5 杜芬混沌金属探测仪前置电路的应用实现
• 5.6 样机实验及分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 全文总结及后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的学术成果
• 学位论文评阅及答辩情况表