复合多稳随机共振阵列微弱信号检测理论与应用研究

In this project, establishing the composite multi-stable stochastic resonance model based on the theory of stochastic resonance, the switching mechanism of multi-stable stochastic resonance excited by multi-frequency weak periodic force and broadband random force is explored, and the output response of multi-stable system under two forces at different time scales is studied, the problem of the detection of multi-frequency weak signal with very low SNR is solved. Besides, building the stochastic resonance array based on composite multi-stable stochastic resonance model, the evolution law of stochastic resonance output response with α stable noise distribution parameters and multi-stable system parameters is explored in stochastic resonance array excited by α stable noise and multi-frequency weak signal, the problem of the detection of multi-frequency weak signal submerged in the spike pulse noise is also solved. Then the adaptive parallel collaborative optimization method for multiple system parameters in parameter-induced stochastic resonance arrays is studied, and the multi-stable stochastic resonance inversion system is established, which realize the fast and enhanced detection of weak characteristic signal. The enhanced detection theory and method of non-linear weak signal is used to detect the information of vibration source which leads to an abnormal fluctuation of silicon liquid surface in single crystal furnace.

本项目基于随机共振原理，建立复合多稳随机共振模型，研究在多频微弱周期力和宽带随机力共同激励下多稳随机共振在不同稳态间的切换机制，探究在不同时间尺度的两种力作用下多稳系统的输出响应，解决具有极低信噪比的多频微弱信号检测难的问题；基于复合多稳模型构建随机共振阵列，研究α稳定分布噪声和多频微弱信号激励的随机共振阵列中噪声分布参数、多稳系统参数对系统共振输出响应的作用规律，解决淹没在具有尖峰脉冲特性噪声中的宽频带多频微弱信号检测难的问题；研究参数诱导多稳随机共振阵列中多个系统参数的自适应并行协同优化方法，建立多稳随机共振反演系统，实现微弱特征信号的快速增强检测与信号恢复；利用研究得到的非线性微弱信号增强检测理论和方法，以检测单晶炉中引起硅液面异常波动的振源信息为目标展开应用研究。

项目团队基于随机共振原理，围绕强噪声背景下的微弱信号检测难的问题，深入开展了一维复合多稳随机共振阵列微弱信号检测理论的研究工作。研究了包括三稳态、Woods-Saxon+三稳的复合多稳态、GP+线性化双稳的复合多稳态随机共振模型结构，得到了由这些模型所构建非线性系统的动力学特性、系统势阱结构对输出共振效应的作用规律；基于绝热近似理论，研究大参数补偿方法，构建了随机共振阵列，研究了α稳定分布噪声随机力和宽频带多频微弱信号周期力共同激励下多稳随机共振阵列检测理论与方法，解决了复杂噪声环境下宽频带多频微弱信号检测难的问题；研究了基于混沌临界状态法的幅值检测原理，提出了基于二维Duffing系统随机共振特性和混沌特性的微弱信号检测方法，实现了多频微弱信号频率和幅值的有效检测；建立了适用于待测信号频率未知的多频微弱信号检测综合度量模型，研究了基于不同智能优化算法的随机共振系统结构参数优化策略，包括改进粒子群算法、改进鲸鱼优化算法、头脑风暴优化算法、哈里斯鹰多策略优化算法，利用基于知识的群智能优化算法实现了多稳随机共振系统结构参数的协同优化，解决了传统随机共振模型参数难获取的问题，并应用于随机共振多频微弱信号快速检测、自适应随机共振阵列的图像去噪与增强；建立了基于多稳随机共振的一类信号反演系统模型，分析了系统输出信号恢复的演化机制，研究了不同信号特征及反演系统的响应特性，扩展了信号反演系统的适用范围，实现了不同类型微弱特征信号的恢复与无损检测；提出了基于非线性动力学指标的舰船辐射噪声特征提取方法及轴承故障诊断方法。将上述研究得到的检测理论与方法分别应用于硅单晶生长设备炉本体的振动源检测、轴承故障诊断、硅单晶棒图像增强、超声探伤信号特征提取、舰船辐射噪声特征特征提取与水下微弱目标检测等领域，使所研究理论成果得到了工程应用。稳定分布噪声随机力和宽频带多频微弱信号周期力共同激励下多稳随机共振阵列检测理论与方法。