微弱信号检测学习总结报告.doc

微弱信号检测学习总结报告1 本课程的基本构成本课程目录：第1章 微弱信号检测与随机噪声 第2章 放大器的噪声源和噪声特性 第3章 干扰噪声及其抑制 第4章 锁定放大 第5章 取样积分与数字式平均 第6章 相关检测 第7章 自适应噪声抵消本课程分为七章：第一章主要介绍随机噪声的统计特性，是后续各章的理论基础。第二章主要介绍电路内部固有噪声源及其特性，对各种有源器件的噪声性能进行分析，并阐述低噪声放大器设计中需要考虑的几个问题。第三章介绍干扰噪声的来源、特点及各种耦合途径，并详细介绍屏蔽和接地对于各种干扰噪声的抑制作用，以及其他一些常用的抗干扰措施和微弱信号检测电路设计原则。第四七章分别为锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消，分别介绍这几种方法的理论基础、设计实现以及一些应用实例。因此本课程（微弱信号检测）基本构成：微弱信号检测与随机噪声，放大器的噪声源和噪声特性、干扰噪声及其抑制、锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消。2 本课程研究的基本问题微弱信号是相对背景噪声而言的，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低（远小于1）的一类信号。如果采用一般的信号检测技术，那么会产生很大的测量误差，甚至完全不能检测。微弱信号检测的主要目的是提高信噪比。微弱信号检测是测量技术中的一个综合性的技术分支，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。微弱信号检测技术研究的重点是：如何从强噪声中提取有用信号，探索采用新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。本课程（微弱信号检测）研究噪声的来源和统计特性，分析噪声产生的原因和规律，运用电子学和信号处理方法检测被噪声覆盖的微弱信号，并介绍几种行之有效的微弱信号检测方法和技术。 3 学习本课程（微弱信号检测）后了解、掌握了哪些内容通过对微弱信号这门课程的学习，我掌握的内容主要有以下几个方面：（1）了解了常规小信号检测的手段和方法，即滤波、调制放大与解调、零位法、反馈补偿法。（2）掌握了随机噪声及其统计特征。随机信号的概率密度函数对于连续取值的随机噪声，概率密度函数(PDF)P(x)表示的是噪声电压x（t）在t时刻取值为x的概率。对于所有x都有。t时刻噪声电压取值在a与b之间的概率为 而且 一种重要的概率密度函数是正态分布概率密度函数，又称为高斯分布，自然发生的许多随机量属于高斯分布。另一种重要的概率密度函数是均匀分布概率密度函数。随机噪声的均值、方差和均方值均值 方差 均方差 随机噪声的相关函数自相关函数 互相关函数 随机噪声的功率谱密度函数及其特点功率谱密度函数 （3）了解了几种常见的随机噪声及其统计特征：白噪声、限带白噪声、窄带白噪声。（4）掌握了放大器的噪声源和噪声特性及其抑制方法，了解了低噪声放大器的设计。放大器的噪声源电子系统内部的固有噪声源，例如电阻的热噪声、阻容并联电路的热噪声、PN结的散弹噪声、l/f噪声、爆裂噪声等。外部干扰噪声，干扰噪声种类很多，它可能是电噪声，通过电场、磁场、电磁场或直接的电气连接藕合到敏感的检测电路。这些都是电磁兼容性所涉及的领域；干扰噪声的本源也可能是机械性的，例如，通过压电效应.机械振动会导致电噪声；甚至温度的随机波动也可能导致随机的热电势噪声。放大器的噪声特性放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系如下： 低噪声放大器高噪声放大器图1 高噪声放大器和低噪声放大器噪声抑制方法A消除或削弱干扰源；B设法使检测电路对干扰噪声不敏感；C使噪声传输通道的耦合作用最小化。（6）了解了一些微弱信号检测的方法和技术，比如锁相放大，取样积分，相关检测，自适应噪声抵消等。4 为了达到对微弱信号的检测，在具体技术方面需要解决哪些问题（1）锁定放大器应用锁定放大器(LIA)是微弱信号检测的重要手段，已经被广泛应用于物理、化学、生物医学、天文、通信、电子技术等领域的研究毛作中。在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题： 1) LIA的功能相当于一种抑制噪声能力很强的交流电压表，其输人是正弦波或方波交流信号，输出是正比于输人波形幅值的直流信号。如果被测信号不是交流信号，则需要用调制或斩波的方式将其变换成交流信号。 2)在实际应用中，LIA中PSD，后续的LPF常用积分器来实现，积分器的时间常数决定了LIA的等效噪声带宽，也决定了LIA所实现的信噪改善比SNIR。积分器的时间常数越大，等效噪声带宽越窄，SNIR越大，所需的测量时间也就越长。所以，对于强度变化缓慢的信号，例如光谱、电子衍射等的测量，可采用长的时间常数；而对于强度变化较快的信号，积分时间常数的选择要与信号的变化速度相适应，在不损失有用信号的条件下，尽量提高输出的信噪比。3)要根据信号和噪声的具体情况适当地分配LIA的交流增益和直流增益，如果信号的动态范围较大，而噪声又不很严重，就应该使LIA工作在高稳定状态;如果噪声严重，为了使LIA能够正常上作，则必须使LIA协调在高储备状态。4)测量系统良好的屏蔽与接地是LI发挥其效用的必要条件。5)LIA的参考信号输人必须是与被测信号相关的同频信号。如果确实不能获得合适的同频参考信号，则可用锁相环进行自动频率跟踪检测。6) LIA的信号输人前置级放大器的工作参数必须认真选择，根据放大器的噪声因子图(NF图)，在给定的工作频率下进行输人电阻匹配，以获得最佳噪声特性。（2）取样积分与数字式平均技术要恢复淹没在噪声中的脉冲波形时，需要使用此种方法。在取样积分与数字式平均技术应用中需要考虑下列几个问题：1）门积分的选取：在信号幅度较小的情况下，采用线性门积分有利；而在信号幅度较大时，为了防止电路进入非线性区导致测量误差，必须采用指数式门积分器。所以，在具体的门积分应用中，要根据实际检测情况和要求选择合适的门积分方式。2）取样积分器工作方式的选择：取样积分器的工作方式可分为定点式和扫描式两种，一般将这两种工作方式组合在同一仪器中，有用户选择使用哪种工作方式。定点工作方式用于检测信号波形上某一特定位置的幅度，而扫描工作方式用于恢复和记录被测信号的波形。3）取样积分器参数的选择：一般需要考虑的参数有：取样脉冲宽度Tg、时基锯齿波宽度Tb、积分器时间常数Tc=RC的选择、慢扫描时间Ts，要根据实际情况进行选择。（3）相关检测在实际应用中，使用的相关检测设备有多种类型，主要分成：1）模拟式相关器：两路信号都是模拟量。2）数字式相关器：首先将两路信号量化为数字量，再进行相乘和累加平均的运算，一般是在微处理器和累加器上实现运算。3）混合式相关器：其特点是，一路信号为模拟量，另一路信号为量化的数字量。4）修正的混合式相关器：为了克服混合式相关器输出的偏差，在数字通道人为叠加伪随机信号，再进行相关运算，这种方式有一定的理论价值，但实用性较差。5 微弱信号检测技术实际应用（1） 锁相放大器在微波特性研究中的应用原理：微波天线方向图测量系统的中心设备一般是由一台锁相放大器和一台微波分析仪构成。本实验选用两台微波分析仪，其中一台用其发射天线，向外发射微波，另一台用其接收天线，接收微波信号，这样就打破了常规的只能在固定范围内测量微波天线方向图的束缚，可以测量随距离变化的微波方向图，测试电路如图2所示。速调管电源选用方波调制，调制电压输出用电阻分压作为锁相放大器的参考信号。速调管的发射电压受到调制，输出为方波调制的微波信号，工作频率为9. 37GHZ，由发射天线发射。待测天线作为接收天线，通过匹配器件由晶体检波器检波，输给锁相放大器作为待测信号，这样就满足了锁相放大器待测信号和参考信号频率相同的条件，可实现互相关运算。由接收天线转台改变天线的方向，测得天线的方向图。图2 微波天线方位测量原理图（2） 取样积分器用于检测表面及亚表面的微小缺陷零件或材料的表面及亚表面处是一般体声波无损检测的盲区，因此探测表面及亚表面缺陷要利用声表面波(SAW)。声表面波在表面及亚表面缺陷处会产生反射。在时域上反射波的大小、形状和在频域中反射波的频率特性(频谱)与缺陷的性质有关。一般地说，SAW的频率愈高，能探测到愈近表面的缺陷。图3所示为用激光探针法探测表面及亚表面缺陷对声表面波的反射系数的检测装置框。光电二极管的输出信号经放大，同时分别送入Boxcar(进行信号处理)与示波器(观察波形)。因为在探测微小缺陷时，光电二极管接收到的反射波信号很微弱，仅有几个微伏(峰-峰值)，深埋于系统噪声中，因此必须采用取样积分器(Boxcar)提取之。为了达到取样积分器的输入电平，将这微弱的电信号放大几万倍，然后输入取样积分器的“观察信号输入”端。另一方面，已调高频信号分路输入取样积分器的“参考信号输入”端作为触发基准，以消除脉冲信号发生器的同步信号与已调高频信号在初相位上的随机误差，保证取样积分器的参考信号与已调高频信号的相位同步.取样积分器的输出接至X-Y记录仪，描画出声表面波的主波和反射波。依据反射波的大小、形状等性质，即可知道表面、亚表面存在的缺陷情况。图3 检测装置框图（3） 微弱激光信号的数字相关检测技术数字相关检测基本原理：微弱信号检测技术能测量传统