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专利名称：一种运用噪声非线性效应的低频信号精密传感测量方法
技术领域：
本发明属于精密测量领域，特别涉及一种低频信号的传感测量方法。
背景技术：
在传感测量中，有一类非线性传感测量问题，其传感关系是非线性的，当待测量超 出一定范围后，输出进入饱和状态，不再随输入量增加而增加。这类传感器包括磁通门磁传 感器，力/电效应力传感器，巨磁阻效应磁传感器。目前处于研发热点的微纳与量子传感 器，则普遍具有极小的动态范围而很快进入饱和状态，它们均属于这类传感器。这类传感器 要实现人们所预期的功能，最为关键的问题是使其在一个相当大的动态范围内有高的传感 灵敏度与测量精度。比如，只有灵敏度足够的高，磁通门磁力计才能检测到因潜艇存在引起 的磁场分布的改变，这就要求其有0. InT以下的分辨率，同时还要有地磁场强度(近IO5nT 场强)的动态测量范围。因此，如何提高这类传感器的灵敏度，并使其在高的分辨率下还有 足够高的动态范围，一直是精密测量领域研究的热点。影响传感器灵敏度的一个主要因素是噪声。当待测量的变化很小时，这种微小变 化就会被噪声淹没而检测不到。噪声主要来自环境的背景噪声，和传感器系统自身的噪声。 其中，来自传感器自身的噪声是一个最大的问题。如磁通门中，自身的噪声主要是磁通门磁 芯材料的巴克豪森效应噪声，和周期性调制信号及电路自身的电噪声。而微纳与量子传感 器中，其内部热噪声则是突出的问题，并同时存在动态范围过小的问题。目前，处理噪声的办法有两种1、设法消除噪声，2、采用周期性调制，再利用相关 检测从噪声中提取待检测信号。这也是目前国内包括磁通门在内的一类非线性传感器所采 用提高灵敏度的方法(丁鸿佳，隋厚堂磁通门磁力仪和探头研制的最新进展，《地球物理学 进展》2004年，第19卷第4期743 — 745 ；张瑞平，刘俊，刘文怡高灵敏度的磁通门传感器， 《弹箭与制导学报》2005年，第25卷第1期M6-M8)。由于噪声与调制信号相伴随，这就使 得现有采用调制方法降噪技术在进一步提高传感器灵敏度上没法见效。同时，使用调制技 术的测量中，测量动态范围受到传感非线性饱和的限制而变得极为有限。因此，现有提高传 感器灵敏度的理论与技术已不能适应更高要求，寻求理论和技术上的突破是进一步提高非 线性传感器灵敏度的必要途径。随机共振是近来发现的一种噪声非线性现象，在这种现象中，信号通过非线性系 统的传输可以因噪声在一定范围增加而改善。这种噪声的非线性效应被认为是提高信号 检测灵敏度的一种新途径而被尝试。但是，已有随机共振理论与方法中，噪声对信号的增 强效应只发生在被传输(传感)信号小于非线性系统阈限的情况，对于阈上信号则没有随 机共振(ffellens T, Shatokhin V, Buchleitner A Stochastic resonance Reports on Progress in Physics，2004，v67，nl，45-105)。象磁通门等这类进入饱和区的非线性传感 器信号基本在阈上，按照现有随机共振理论，在这类传感器噪声并不能增强检测效果。近 年，N. G. . Stocks等在非线性阵列的信号传输中发现阈上随机共振现象，发明人也对噪声在 某些非线性系统的阈上信号传输中的积极效应进行发掘(Wang Ren-Guo, Long Zhang-CaiSuprathreshold stochastic resonance in a single comparator Chinese Physics Letters, 2007, ν 24，ρ 275-8)。在此研究的基础上，我们对这类非线性传感器的输出作进 一步积分后发现，低频信号激励时积分输出的信息传输，即使是在阈上信号传输时仍有随 机共振发生。即，这类传感器的积分输出中低频被测信号可以通过加适当噪声而得到恢复， 传感信号可以因噪声的加入而得到改善。基于这一研究，本发明提出了一种运用噪声在非 线性传感器中的非线性效应实现对阈上低频信号的高灵敏度传感检测方法。

发明内容
本发明的目的在于针对精密测量领域大量存在的采用消除噪声提升精度的方法 所面临的困难，提出一种基于噪声非线性效应的信号测量方法。该方法不通过消除噪声，而 是利用噪声的某些有益效应，甚至是人为加入噪声，达到测量精度最优化，同时提高传感器 的动态测量范围的目的。尤其是该方法增加的附加积分运算，使其克服了现有随机共振理 论只能通过噪声增加阈下信号传输的局限，解决通过噪声增强非线性传感中阈上信号的检 测问题。为解决上述技术问题所采用的具体技术方案如下(1)在传感器输入的待测信号中加入噪声，获取有噪声驱动的传感器输出信号。将待测的低频信号x(t)及测量环境中的噪声或人为生成噪声n(t)输入到传感 器，在传感器输出端得到有噪声和信号同时加入后的传感输出信号u(t)。该方法所用传感器为常规高精度狭窄测量范围的非线性传感器，在测量范围内具 有较高灵敏度，超出量程范围时，输出信号迅速达到饱和。测量环境噪声或人为加入的噪声 η (t)在其均值或期望值<n (t) >上下有对称概率分布，即ρ η (t) >_b) = ρ η (t) >+b)。(2)对传感器输出信号u(t)进行时间长度为T的积分，获得优化的测量结果 y(t)。对有有噪声驱动的传感器输出u(t)做时间积分，得到积分后的输出结果
权利要求
1.一种运用噪声非线性效应的低频信号传感测量方法，包括如下步骤(1)在传感器输入的待测低频信号x(t)中加入噪声η(t)，获取有噪声加入的传感器输 出信号u(t)；(2)对所述传感器输出信号u(t)进行时间长度为T的积分，获得积分输出结果y(t)， 具体过程为(2. 1)根据所述低频信号x(t)和输出信号u (t)计算给定输入信号x(t)后传感器积分 输出y(t)的信息传递Ι(χ，Τ，σ)；(2.2)将所述信息传递I (χ，T，a)对时间长度T和噪声强度σ分别进行两次求导，并 令一次导结果均为0，二次导结果均小于0，求得对应的T和σ，作为优化的参数；(2. 3)利用上述优化的参数中的时间长度T对所述输出信号u(t)进行积分，获得积分 输出结果y(t)；(3)根据所述优化的参数，对所述积分输出结果y(t)作标定，得到输出结果与待测量 的对应关系，即可从所述输出结果y(t)得到待测量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信息传递的计算公式为
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤⑴中的噪声n(t)为测量 环境中的噪声或人为生成的噪声。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述优化的参数T和ο所对应的 信息传递I (X，T，a)为全局最大值。
全文摘要
本发明公开了一种运用噪声非线性效应的低频信号传感测量方法，包括如下步骤(1)在传感器输入的待测低频信号x(t)中加入噪声n(t)，获取有噪声加入的传感器输出信号u(t)；(2)对输出信号u(t)进行时间长度为T的积分，获得测量结果y(t)，具体为(2.1)首先，计算x(t)后非线性传感器积分输出y(t)的信息传递I(x，T，σ)；其次，将I(x，T，a)对时间T和噪声强度σ分别求导，令一次导结果均为0，二次导结果均小于0；最后，对u(t)进行积分，获得积分输出结果y(t)；(22)对y(t)作标定，得到输出与待测量的对应关系，即可从y(t)得到待测量。本发明可以根据待测信号的特征、测量环境噪声水平选择合适非线性动态范围的传感器，或人为加入适当强度的噪声，利用噪声而不是单纯降低噪声，达到测量精度的优化效果。
文档编号G01R33/04GK102147265SQ20111000736
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者龙长才 申请人:华中科技大学