微弱信号检测取样积分.doc

微弱信号检测取样积分6.3取样积分在实际工程应用中信号通常是一个很复杂的宽带函数其中感兴趣的信号不一定全是正弦或方波有时不仅需要获得信号的振幅还希望获得信号的波形。例如在很多科学研究中经常会遇到对淹没在噪声中的周期短脉冲波形的检测。如生物医学中遇到的血流、脑电或心电信号测量、发光物质受激后所发出的荧光波形测量、核磁共振信号测量等。这些信号的共同特点是信号微弱具有周期重复的短脉冲波形最短可到ps量级。取样积分方法就是针对检测这类复杂宽带周期信号的波形检测而设计的。这种方法能够把深埋在噪声中重复的微弱信号波形得以恢复并显示记录已经成为微弱信号检测的重要手段之一。对淹没于噪声中的周期脉冲信号的测量主要是对波形的恢复。必须在信号出现的时间内对信号进行等间隔采样采样时间间隔应符合采样定理的要求。然后对这些信号进行多次采样并加以平均以期抑制混于信号中的噪声恢复脉冲信号各时刻的数值从而得到完整的波形恢复。根据这种采样及积累平均原理制成的仪器称为取样积分器。早在20世纪50年代初这种微弱信号检测方法已经提出最早的采样积分器是在1962年出现并命名为Boxcar。目前模拟式取样积分器由于可以工作在很高的频率依然在许多领域有所应用。而以计算机为核心的数字式取样积分器则逐渐成为主流在物理、化学、核磁共振、生物医学等领域中获得了广泛的应用。6.3.1采样方法大体可分为两类实时采样和变换采样。变换采样又分为时序变换采样随机变换采样两种。所谓实时采样就是在被采样信号的一次有效持续时间内抽取复现原信号所必需全部采样信号。在实时采样过程中采样脉冲的作用、采样过程以及信号的恢复是与被样信号在同一时间刻度上进行的。由采样定理可知为了无失真地复现原信号采样频至少应为信号所包含的最高频率的2倍。因此实时采样所需要的频率较高一般多用低频信号的处理。对于短暂的时域信号实时采样难度较大。单点取样积分器对信号每周或每重复出现一次采样并积分一次经过多次采样积分即平均得到该点信号的波形或特定点的幅值。采用变换采样的工作方式。又称为Boxcar积分器。如果信号是重复的产生时刻是已知的就可采用取样积分器来恢复、记录深埋在噪声中的微弱信号。图6-22是一个简单取样积分器的基本原理框图由信号通道、参考通道和门积分器3个主要部分组成。6.3.3前面所述的单点取样积分器是一种单点平均器通过步进脉冲的延时对信号进行多次扫描平均测量。多点信号平均器是一种实时取样系统。它采用实时采样方式在信号的一个周期内取样多点并逐点存储在相应的存储器中再将多个周期的取样结果进行累积、平均得到被测信号一个周期的全部信息。多点信号平均器等效于大量单点取样积分器工作在定点工作方式在不同初始延时情况下并联使用。因此可以节省测量时间提高测试的实时性。数字式多点信号平均器的基本原理为首先选取一个采样同步脉冲该同步脉冲必须与被测信号严格同步、同频或有固定的相差但频率相同。若信号及同步脉冲的频率为f在每次扫描时间TT为待测信号的周期内对信号以等间隔进行N点采样采样频率为NX f然后进行M次扫描即对信号连续采样M个周期共采得MX N个点后将这M次扫描周期内序号相同的点即在信号周期内相对位置相同的那些点的采样值分别相加再除以M即可得到N个点的幅值平均值。这N个点仍为信号一个周期内均匀分布的点由这N个点构成的波形即为去噪后的信号波形。显然M越大则信噪比改善越好。而一周内采样的点N越多信号恢复得越逼真。图6-36给出多点平均后输出的波形。采用数字多点平均器的方法当MN足够大时可以把微弱信号从强噪声背景中检测、恢复出来。这种数字多点平均技术对白噪声l/f噪声等都适用。图6-37所示为一种典型的双通道数字多点信号平均器。在同步触发和定时控制下通过采样保持线路按时间顺序对输人信号取样并经ADC转换为数字量存放于存储器的相应地址。经多次取样累加平均获得信噪比的提高。6-37ADC与单点取样积分器类似数字多点信号平均器有效的基本条件是信号必须是周期性重复信号但其周期重复次数不一定要求是无限的同步信号必须准确可靠地与测试信号同步、同频由同步信号倍频后得到的采样时钟信号能可靠地、等间隔地启动各周期内的N次采样而且能够保证M次扫描中采样间隔均相同各采样点在信号周期内的相对位置不变各个周期内的采样点数N及扫描周期数M必须足够大硬件检测电路必须有足够的采样速率同时采样时钟产生及控制电路应有较大的灵活性以便在测试过程中不断调整采样间隔和扫描次数。作为一个例子下面介绍一个为采用数字多点平均技术的光纤电流传感器。光纤传感器是近年来发展起来的一种新型检测器。它利用光纤在待测媒质中感受外界物理量的变化使光纤材料本身特性发生变化继而引起所传输光的特性如光强、相位、偏振态、模式或波长等发生变化从而可实现对物理量的检测。光纤传感器种类繁多目前可作为加速度、速度、位移、压力、应变、温度、流量、流速、浓度、pH值、电压、电流、磁、声、射线等70多种物理量的传感器可称为“万能”的传感器。光纤电流传感器在发电、输电、变电等电力系统中特别是在超高压系统中有着重要的作用。在电压、电流、功率等参数的测试过程中时常伴随着高压大电流及强电磁场的干扰。此外还可能由于高压情况下绝缘不良而存在危险。由于这些因素造成了用电学敏感元件来检测高电压、大电流的困难使其测试系统结构复杂、造价昂贵。按光纤电流传感器的变化特性分类目前常用的有光强型、相位型和偏振态型等光纤传感器。最常用的光纤电流传感器一般为偏振态型光纤传感器。它是利用某些外界物理量的变化引起光纤中传感器的偏振光的偏振态变化的原理制成的。光纤偏振态对电流敏感的基本原理是利用熔融石英光纤材料的法拉第旋光效应。基于法拉第磁光效应的光纤电流传感器和基于普克尔Pockels或克尔Kerr效应的光纤电压传感器可以很好地解决超高压系统中的电气绝缘问题。在这些应用场合为了使大气天电干扰最小通常采用单模光纤。有关光纤电流传感器的详细原理读者可参考专业书籍。简单来说光纤电流传感器的主要性能特点如下1电气绝缘性能好。表面耐压可达4kV/cm且不受周围电磁场的干扰2几何形状适应性强。由于光纤有柔性使用及放置均很方便3传输频带宽。带宽与距离之积可达30MHzkm-10GHzkm4无可动部分、无电源可看做无源系统。使用安全特别在易燃、易爆场合更为适用外界振动引起的强烈噪声干扰。外界振动和冲击对光纤产生的压力会对光纤中传输的激光束产生消偏振或起偏振作用这种偏振态改变的结果相当于给光纤电流传感器的输出施加了强烈的噪声。这种噪声不仅远大于其他噪声而且往往会强于有用信号的强度。因此可以认为光纤电流传感器的输出信号完全被淹没于噪声之中了。基于数字多点平均技术的光纤电流传感器检测电路如图6-38所示。该电路是基于PC总线设计的。图中包括两个通道信号通道和参考通道。在信号通道中含有噪声的信号首先送入LH0084增益可编程运算放大器放大后的信号经一低通滤波器MF10 滤去高频噪声后才被送入采样保持器LF398 和模数转换器AD1671。AD1671为美国AD公司生产的12位高速模数转换器其最大吞吐速率为1. 25Mbps.图中AD1671的输出接至FIFO先人先出的数据缓冲存储器DS2009 。DS2009为512X9的FIFO存储器这里用了两片DS2009以满足AD1671的12位数据宽度要求。8255的A口和B口用于读取FIFO的12位A/D转换结果C口作为状态及控制口。参考通道主要是用来产生与原始信号同步、同频的同步脉冲并产生N倍频的采样时钟。信号经运算放大器LM358 放大后送人比较器 LM311。比较器的输出信号为与原信号同步、同频的方波该方波被送人由锁相环CD4046E和12位二进制异步计数器CD4040E构成的锁相倍频电路。得到频率为NX f