第八章_微弱信号检测.ppt

1.微弱信号检测技术，锁相放大器采样积分器光子计数，2。空间物体探测光谱测量生物发光探测，3。1导言。微弱信号检测是一门新的技术学科。它利用电子学、信息论和物理学的方法分析噪声的成因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。当检测系统、图像传输系统和通信设备出现噪声时，仪器的准确性、稳定性和重复性明显降低。由于噪声电报的错误率增加，通信无法正常进行，雷达无法跟踪目标，电视屏幕上出现一片“雪花”，图像模糊。噪声和干扰，通常是由物质或设备的物理原因引起的干扰，称为噪声。外界因素的干扰称为干扰，干扰有一定的规律性，可以减少或消除。锁定放大器设计用于在非常强的外部干扰环境中检测微弱信号。5、噪声和干扰、宽带或连续无用信号、瞬时或窄带无用信号、市电50Hz或100Hz(整流等。)；无线电台；打开/关闭；高能脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；闪电等。对于有用的信号，干扰和噪声是麻烦的干扰。为了区分，可以减少或消除的外部干扰通常被称为干扰，而由材料或设备的物理原因引起的干扰被称为噪声。来自检测系统的外部干扰，如市电50或100赫兹交流干扰、电台调幅广播信号或电源开关火花干扰；脉冲激光、雷达发射或电路中高能窄脉冲引起的宽带干扰；部件或零件的机械振动会产生额外的噪声效应等。这些干扰绝大多数是“人为的”。通过采取适当的措施，如屏蔽、过滤或合理配置组件，可以减少和消除干扰。材料、装置或部件的物理原因引起的噪音。如绝对零度以上任何导体的热噪声；在晶体管、电子管或光电器件中，电子随机作用产生的散粒噪声属于这种噪声。这种噪声由大量短而尖的脉冲组成，其幅度和相位部分是随机的，脉冲形状(时间函数)不一定相同。然而，任何噪声脉冲的能量仅占总噪声能量的很小一部分。这些脉冲的叠加产生了所谓的随机噪声。在检测系统中，可处理的最大信号电平受电路特性的限制，但最小可检测电平取决于噪声。换句话说，噪声限制了传感器的分辨率和系统的动态范围。当系统的信号干扰很大时，当无法区分干扰和噪声时，可以先屏蔽掉。当频率高于1000赫兹或障碍物大于1000欧姆时，通常使用金属导体屏蔽，如铝或铜。对于低频干扰或低阻抗，可以使用磁屏蔽，如铁镍合金等。此外，前置放大器也可以先单独供电。如果有效，表明噪声主要来自外部干扰，可以采取进一步的屏蔽措施。如果干扰不能减少，应认为噪声主要是系统内部部件的随机基本噪声。9。实验室典型噪声环境、50Hz电源接线、50Hz谐波可控硅斩波、整流、电感等。仪器内部动力装置等。引起正弦波失真或毛刺的电触点的开/关触点总是伴随着火花或电弧，10。实验室典型噪声环境，高频信号开关电源大功率高频振荡器1/f噪声，11，12，检测系统屏蔽接地，噪声介绍：容性耦合：电场原因，噪声源内阻高感性耦合：磁场原因，噪声源内阻低，13，噪声屏蔽，容性耦合：降低电路阻抗，在噪声源和信号线之间建立导电屏障，屏障接地。例子包括屏蔽线、铜套等。14.噪音屏蔽。电感耦合减少了环路面积。铁磁物质还应注意区分模拟接地和数字接地。检测系统的内部噪声主要由电阻和各种器件产生。噪声是由自由电子热运动产生的，所以它通常被称为热噪声。当热噪声电流流入电阻时，电阻两端会产生噪声电压。因此，在必须考虑热噪声的情况下，电路中任何电阻器的功能都相当于无噪声电阻器和热噪声电压的串联。17.当直流电流流过电阻时，通常会产生电阻的额外噪声。额外噪声是指电阻器基本热噪声之外的噪声。它也被称为电流噪声，因为它是电流通过电阻时产生的噪声。当电流流过不连续的导体(如电阻)时，就会产生这种噪声。合成碳质电阻器是通过压制碳颗粒和粘合剂的混合物形成的。由于导电性不均匀，直流电流不能均匀地流过电阻，而且在碳粒子之间会有一些像微弧一样的东西，从而产生电流尖峰或脉冲。这些电流尖峰或脉冲是过量噪声。电阻越均匀，过量噪声越小。合成碳电阻噪声最大，金属薄膜和线绕电阻噪声较小。18，典型电阻的总噪声，19，各种电阻的噪声指数，20，半导体二极管的散粒噪声，半导体二极管的散粒噪声是电压接通后通过PN结的电流产生的。在不同时间通过PN结势垒的载流子数量是随机的，并且随时间变化，从而导致电流波动。势垒中载流子散射产生的噪声称为散射噪声。半导体三极管的内部噪声和放大器的噪声是检测系统的主要组成部分之一，也是影响测量仪器灵敏度的重要因素。(1)抗热噪声。半导体三极管的损耗电阻产生电阻热噪声。具体而言，它是由每个电极连接的基极电阻和损耗电阻产生的。(2)颗粒噪声。像PN结二极管一样，半导体三极管的两个PN结的电流也产生颗粒噪声电流。(3)分布噪声(高频噪声)半导体三极管中的载流子从发射极结注入基极区后，大部分流向集电极并成为集电极电流，而小部分与基极区中的异性载流子复合并成为基极电流。基极中载流子的复合是随机的，复合越来越少，复合越少，越多的载流子流向集电极，集电极电流越大；相反，集电极电流小，基极电流大。因此，集电极电流包含由集电极电流和基极电流的分配比的变化引起的输出电流的波动，并且由该波动分量产生的噪声被称为分配噪声。(1/f噪声)闪耀噪声的功率谱密度与频率(低频噪声)成反比。实验表明，它的大小与半导体材料及其表面的漏电流有关。(5)峰值噪声。一般认为原因是器件中PN结的缺陷。在信息检测中，中华蜜蜂的噪声非常严重。在扩音器里，会有像炸玉米一样的爆炸，所以也叫爆裂噪音。在低噪声设计中，在选择电路元件和器件时，应尽量减少或避免引入噪声。(1)电容器的选择云母和瓷介电容器通常用于低噪声设计。在大容量电容器中，铝壳电解电容器的泄漏量较大，钽电解电容器的泄漏量较小，因此钽电解电容器适用于低噪声电路。在微弱信号检测技术中，需要处理的是基本噪声，其中绝大多数是随机噪声。随机噪声是一个前后独立的稳定随机过程。它的振幅、波形和相位在任何时候都是随机的。然而，每一种噪声仍然服从一定的统计分布规律，所以它是可以计数的。例如，只要产生噪声的条件不变，给定时间间隔中的噪声功率或能量不变，并且其在时域中的平均幅度为零。概率分布然而，当系统处于稳态时，不同时刻噪声的概率分布规律是相同的，因此也称为平稳随机过程。平稳随机过程的另一个重要特征是它的相关函数。它代表随机过程的两个不同时间之间的相关性，它的定义，30，31，噪声的相关函数，32，测量技术的分类，非相关测量。普通电压表、示波器、频率计等。使用方便，应用广泛。相关测量锁定放大器、同步积分器、光子计数器、数字滤波器等。抗干扰能力强，运行稳定，灵敏度高，33位采样积分器，采样积分器(Boxcar)，是一种微弱信号检测系统。从原则上来说，它是非常古老的。它利用周期性信号的重复特性，在每个周期对一部分信号采样一次，然后通过积分器计算平均值。因此，每个周期中的采样平均信号的总和显示了待测信号的真实波形。因为信号提取(采样)被重复多次，并且重复多次的噪声的统计平均值为零，所以可以极大地提高信噪比，并且可以再现被噪声淹没的信号波形。1.采样门的值和积分器的采样点应该是信号和噪声的总和。我们将从信号和噪声功率的平均值来看积分前后信噪比的变化。如果输入信号为Vsi，积分器经过m次累加后获得的输出电压为35，噪声电压为随机变量Vni。经过m次累积，增加值Vn仍然是一个随机变量，36。累加后获得的信噪比是累加后的信噪比幅度比(SNIR)为37。采样积分器的核心部件是采样门和积分器，通常通过用采样脉冲控制RC积分器来实现。在采样时间采样的波形被同步累积，并且累积的结果(输出)被保持，直到下一次采样38、采样门和积分器39、40。采样积分器通常有两种工作模式，即定点型和扫描型。定点采样积分器用于测量周期信号的瞬态平均值。扫描采样积分器可以恢复和记录测量信号的波形。下面将分别讨论这两种模式。定点采样积分器，42，定点采样在固定点对被噪声淹没的信号进行采样和平均，经过m次采样和平均，其幅度信噪比提高到定点采样积分器只能提取噪声中信号的瞬时值，其功能与锁相放大器相同，不同的固定点可以通过手动延时电路实现。扫描采样积分器，扫描采样积分器利用采样脉冲对信号波形进行延迟采样，从而恢复被测信号波形。它主要包括两个过程：可变延时的采样脉冲和在采样脉冲控制下的同步累加。扫描采样积分器可以获得与输入测量信号具有相同形状但在时间上大大减慢的输出波形，因此扫描采样积分器可以从噪声中提取信号并恢复波形。44、45、46、47、定点采样积分器根据m次定点采样的规律，不难理解振幅信噪比提高的结论。由于可变延时采样脉冲的采样点在采样过程中逐渐变化，扫描采样积分器的采样过程受到门脉冲宽度的限制，只能在门脉冲宽度范围内采样。由于慢扫描电压相对于时基电压变化非常慢，采样脉冲相对于触发脉冲的移动也非常慢，因此输入测量信号波形上的每个“点”可以顺序扫过多个栅极宽度采样脉冲，从而多次累积和平均波形的每个采样“点”。例如，由采样方法组成的测光系统使用激光分析的双通道采样积分器，50、51、52，采样积分器用基线采样，53，双通道采样积分系统，54，锁相放大器，锁相放大器也称为锁相放大器。它也是一种微弱信号检测仪器锁相放大器是微弱信号检测仪器中一个非常重要的品种。信噪比可以低至10-5。带宽=0.0004赫兹(相当于q=108)。对于两个信号，定义相关函数互相关Rxy函数，57，两个随机过程的相关，互相关Ryx函数，58，随机过程的相关，自相关函数，白噪声，自相关函数=0，59，相关检测，60，相关检测，与信号S(t)。通过上图所示的功能设备，有：如果参考信号为“干净”，则只剩下第一项。61、相关检测的矢量解释，参考信号：可视为基矢量(正弦波)或基矢量的线性组合(非正弦波，如方波)的检测信号：由多个正弦信号的线性组合可视为旋转坐标系的检测信号，R检测信号绕参考信号作相对旋转；输出稳定DC检测信号与参考信号有相对运动；输出不稳定交流可以通过阻容电路(积分器)滤除交流，取出DC，63，典型的锁相放大器原理，64，锁相放大器(锁相放大器)是利用互相关原理设计的同步相关检测器，利用参考信号和被测信号的互相关特性，提取与参考信号频率和相位相同的被测信号。锁相放大器可以检测到比被测信号强100分贝的外部干扰中的目标信号。自锁相放大器问世以来，由于其在微弱信号检测方面的优越性能，已被广泛应用于科学研究的各个领域。锁相放大器有三个特点：通过用交流放大调制器调制DC或渐变信号，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检波器实现调制信号的解调，同时检测频率和相位，因此噪声和信号同频同相的概率很小；使用低通滤波器抑制噪声，可以使低通滤波器的频带更窄，并且其频带宽度不受调制频率的影响，从而大大提高了稳定性。根据傅立叶变换，r(t)可以用三角函数的形式表示。相位检测器是一个比较输入信号和参考信号的相位比较器。当两个信号的相位完全相同时，输出信号的DC分量在通过低通滤波器后达到最大值。相敏检波器是锁相放大器的核心部件，实现被测信号和参考信号的互相关运算。相敏检波器有模拟乘法器型和电子开关型，其中电子开关型相敏检波器因受参考信号幅度波动影响小而被广泛使用。电子开关相敏检测器的输出相当于测量信号和方波信号r(t)的乘积，幅度为1，占空比为50%。70，r(t ),乘法结果是：公式右侧的第一项是差频项，第二项是和频项。在通过低通滤波器(LPF)之后，所有的和频率项和差频率项被消除，最后滤波器的输出为：71，这表明在被测信号通过相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)之后，输出与被测信号的幅度和参考信号与被测信号之间的相位差的余弦函数成比例。此时，输出最大，从而实现幅度鉴别和相位鉴别。72，73，锁定放大器的输出，Vo=Vicos是检测信号和参考信号之间的相角，74，以及参考信号的要求。从上述特征可以看出，参考信号必须在测量信号中具有特定的分量。参考信号源同时驱动被测设备，这在实验室中是常用的。从测量信号中提取同步信号，然后将其转换成本地参考信号。只有这种方法可以用于无线通信，例如，77，乘法器操作，78，积分器操作，79，80，81，锁定放大器的改进，矢量类型：两个正交参考信