基于非厄米非线性电路的抗噪声相位检测方法及系统

本发明涉及一种基于非厄米非线性电路的抗噪声相位检测方法及系统，属于声学领域。

背景技术：

1、在声学传感、通信与成像中，相位是声信号的关键参数，其高保真维持直接影响系统功能的实现。在声涡旋通信与声全息成像中，相位保真度决定信息传输质量与成像效果；在声源定位中，各传感阵元接收信号的相位与时延一致性决定定位精度。传统的相位检测方法，如过零检测、施密特触发与锁相放大等，均采用单阈值方式提取相位特征，对任意超过阈值的波动表现无差别响应，且忽略了信号之间的历史关联性，在外界噪声干扰下易产生波形畸变，导致相位误差。近年来，非厄米系统因奇异点附近的本征值分裂现象在高灵敏度传感领域受到广泛关注。然而，此类系统对信号和噪声无差别响应，在放大有效信号的同时也放大噪声，系统响应的时序一致性被破坏，难以在干扰环境下实现高保真的相位检测。

2、因此，如何在噪声环境下保持信号时序一致性、实现可靠的抗噪声相位检测，仍是亟待解决的关键问题。↵

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于非厄米非线性电路的抗噪声相位检测方法及系统，该方法利用非厄米非线性电路环绕奇异点时的历史依赖性哈密顿量跃迁，即记忆效应，将信号的历史状态信息嵌入电路的模态切换过程，使信号被约束于分立本征模态而不受噪声扰动，实现噪声环境下相位信息的高保真检测,有效解决传统单阈值相位检测方法易受噪声干扰产生波形畸变的问题。↵

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明的基于非厄米非线性电路的抗噪声相位检测方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：接收携带相位信息的声信号，将声信号与环境噪声叠加后转换为电信号，驱动非厄米非线性相位检测电路；其中，所述电路包含相互耦合的非线性增益谐振单元与损耗谐振单元，非线性增益随增益谐振单元储能增大而饱和，在电路参数沿相反方向环绕奇异点时呈现历史依赖性的哈密顿量跃迁，两临界跃迁位置包围的区域构成由损耗率控制的可调记忆区域；

4、步骤s2：利用所述记忆区域使电路选择性响应：处于记忆区域内的电路保持前一时刻的本征模态，噪声扰动难以触发模态切换，从而将信号历史状态嵌入模态切换过程，维持声信号模态演化序列的时序一致性，使相位信息得以保持；

5、步骤s3：分别以参考通道与待测通道中损耗谐振单元的特征频率为感知量，采集两通道的特征频率随时间的变化，将特征频率的时间轨迹重构为本征模态演化序列；

6、步骤s4：对两通道的本征模态演化序列进行互相关运算，以互相关函数最大值对应的时间偏移提取两通道间的相位差，实现抗噪声相位检测。

7、作为优选，所述步骤s1中所述历史依赖性的哈密顿量跃迁表现为：电路状态随参数扫描方向的不同沿不同的本征分支演化，顺时针环绕奇异点与逆时针环绕奇异点时的哈密顿量切换位置不同，电路当前状态不仅取决于参数值，还依赖于历史路径。

8、作为优选，所述步骤s2中，所述记忆区域的大小通过调节损耗谐振单元的损耗率实现连续调节，以适配不同强度的噪声环境。

9、一种用于基于非厄米非线性电路的抗噪声相位检测方法的检测系统，包括：

10、相控扬声器阵列发射端，用于发射携带相位信息的声信号；

11、非厄米非线性接收电路，包括驻极体放大声电转换模块、电压-电容转换模块和记忆区域可调的非厄米非线性谐振模块，用于接收含噪声信号并在记忆效应作用下维持模态演化序列的时序一致性；

12、终端模块，用于实时信号采集与相位解调。

13、作为优选，所述非厄米非线性谐振模块包括有源谐振器和无源谐振器；所述有源谐振器由第一平面螺旋电感器、负阻抗转换器及电容器构成，所述负阻抗转换器基于运算放大器实现，运算放大器工作于饱和区以引入非线性增益；所述无源谐振器由第二平面螺旋电感器及可调电阻器构成，可调电阻器用于调节损耗率以调控记忆区域大小；两平面螺旋电感器之间的间距决定耦合强度上述器件参数可通过微控制器调节。

14、作为优选，所述电压-电容转换模块包含变容二极管，用于将声信号电压转换为损耗谐振单元的电容变化，从而将声信号引入电路的失谐参数；所述电压-电容转换模块设置于接收端的损耗端。

15、作为优选，所述终端模块通过数据采集器实时采集谐振电路频谱数据，搜索谐振频谱的峰值确定电路当前所处的本征模态，将特征频率的时间轨迹重构为本征模态演化序列，并对参考通道与待测通道的模态演化序列进行互相关运算提取相位差，实现相位信息解调。

16、所述非厄米非线性谐振模块的记忆效应源于非线性饱和增益与模态竞争的共同作用，模块的稳态响应由耦合模方程描述，所述耦合模方程可表示为：

17、

18、其中，和分别为增益谐振单元与损耗谐振单元的场振幅，满足时谐形式；和分别为两谐振单元的谐振频率；为损耗率；为耦合强度；非线性增益随增益谐振单元存储的能量增大而饱和。

19、在本发明中，以损耗端谐振频率为扰动参数使电路环绕奇异点演化：当系统进入多态区域时，模态竞争使增益需求最低的本征模态优先稳定并锁定饱和增益，抑制其余模态获得维持振荡所需的增益；当系统离开该区域时，原有模态无法继续稳定存在，电路发生哈密顿量跃迁并自动切换至新的稳态模态。由于模态竞争，沿顺时针与逆时针方向环绕奇异点时哈密顿量跃迁的临界位置存在明显差异，电路当前状态不仅取决于参数值，还依赖于历史路径，呈现路径依赖特性。

20、在本发明中，两个临界切换位置包围的区域即为记忆区域：处于记忆区域内的电路保持前一时刻的本征模态，离开记忆区域的电路被约束于分立本征模态之一。记忆区域充当噪声缓冲层，信号可驱动电路在两分立模态间可控切换，而噪声扰动难以跨越记忆区域触发模态切换，从而保证信号模态演化序列的时序一致性，实现相位保真。所述记忆区域的大小受损耗率调控，通过调节损耗谐振单元的可调电阻器改变损耗率，可使记忆区域连续扩展或收缩，从而使系统在不同噪声强度下均能维持相位保真能力。

21、在本发明中，所述互相关运算及相位解调过程为：对参考通道模态演化序列与待测通道模态演化序列计算互相关函数：

22、

23、其中，为时间偏移量；互相关函数最大值对应的时间偏移给出两通道信号间的相对时延，结合频谱峰值给出的信号载波频率即可确定两通道间的相位差；在此基础上计算互相关系数，其取值越接近1，表明两信号的相位一致性越好。

24、有益效果：本发明的用于基于非厄米非线性电路的抗噪声相位检测方法及检测系统，利用非线性饱和增益与模态竞争诱导的记忆效应，将信号的历史状态信息嵌入哈密顿量切换过程，记忆区域充当噪声缓冲层，使信号被约束于分立本征模态而不受噪声扰动，实现相位信息的高保真维持。通过调节损耗率可连续调控记忆区域大小，使系统适配不同强度的噪声环境。本发明无需噪声频谱、相位或信号频率的先验知识，以互相关运算直接提取模态演化序列间的相位差，在噪声环境下的声涡旋相位检测中信号相似度显著提升、相位误差显著降低，在无损检测、工业监测与目标探测等领域具有良好应用前景。