勘察仪器及原理 第二章 第三节第四节ok

1、第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论勘勘 查查 仪仪 器器 原原 理理教师：教师： 王旭王旭Email：第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论第二章第二章 测量仪器的基本测量仪器的基本理论理论第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论第三节第三节信号检测基本概念与信号检测基本概念与方法方法第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 信号检测主要研究如何测量被检测的信号检测主要研究如何测量被检测的物理量，包括测量方法、提高测量精度等物理量，包括测量方法、提高测量精度等措施。它可以看作是数据采集的前端，也措施。它可以看作是数据采集的前端，也是数据采集系统中最重要的

2、组成部分。这是数据采集系统中最重要的组成部分。这一节我们学习两个内容：一节我们学习两个内容：一是信号测量基础；一是信号测量基础；二是微弱信号检测基础知识。二是微弱信号检测基础知识。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论2.3.1信号测量基础信号测量基础一、计量概念一、计量概念 前面我们学习了测量的概念，由测量所前面我们学习了测量的概念，由测量所获得的被测量的值叫测量结果，测量结果可获得的被测量的值叫测量结果，测量结果可用一定的数值表示，也可用一条曲线或某种用一定的数值表示，也可用一条曲线或某种图形表示，但无论如何，测量结果应包括两图形表示，但无论如何，测量结果应包括两部分：部分：数值

3、数值和和测量单位测量单位。对同一个量，也许。对同一个量，也许测量手段不同，但所得结果应一致，因而出测量手段不同，但所得结果应一致，因而出现了公认的现了公认的统一单位统一单位。这就是我们要学习的。这就是我们要学习的第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论保证量值统一和准确的应用科学保证量值统一和准确的应用科学-计量计量学。学。1、计量定义：利用技术和法制手段实现单、计量定义：利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。位统一和量值准确可靠的测量。 所以，计量可以看作是测量的特殊形所以，计量可以看作是测量的特殊形式。没有测量，就谈不上计量；没有计量，式。没有测量，就谈不上计量；没有

4、计量，测量则失去价值。测量则失去价值。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 计量科学在国民经济建设、国防建设、计量科学在国民经济建设、国防建设、科学研究以及社会生活中都起着极其重要的科学研究以及社会生活中都起着极其重要的作用，日常生活中，计量无处不在。可以毫作用，日常生活中，计量无处不在。可以毫不夸张地说，任何学科、任何部门、任何行不夸张地说，任何学科、任何部门、任何行业乃至任何活动，都离不开计量。事实充分业乃至任何活动，都离不开计量。事实充分表明，计量已成为科技、经济和社会发展的表明，计量已成为科技、经济和社会发展的重要技术基础。计量水平的高低也已成为衡重要技术基础。计量水平的高

5、低也已成为衡量一个国家经济发达程度的重要标志之一。量一个国家经济发达程度的重要标志之一。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 计量检定是指为评定计量器具的计量性计量检定是指为评定计量器具的计量性能、确定其是否合格所进行的全部工作。目能、确定其是否合格所进行的全部工作。目的是确保量值的统一，确保量值的溯源性。的是确保量值的统一，确保量值的溯源性。主要评定的是计量器具的计量性能，确定其主要评定的是计量器具的计量性能，确定其误差大小、准确程度、寿命、安全等，结论误差大小、准确程度、寿命、安全等，结论是确定该计量器具是确定该计量器具合格与否合格与否，并具有，并具有法制性法制性。 计量检定本

6、身是国家对测量的一种监督。计量检定本身是国家对测量的一种监督。因此，测量器具必须因此，测量器具必须定时定时检定、校准，取得检定、校准，取得合格证合格证才允许使用，否则测量结果无效。才允许使用，否则测量结果无效。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论2、我国法定计量单位：、我国法定计量单位： 是国家以法令形式规定使用的计量单位，是国家以法令形式规定使用的计量单位，是统一计量单位制和单位量值的依据和基础，是统一计量单位制和单位量值的依据和基础，因而具有因而具有统一性统一性、权威性权威性和和法制性。法制性。 无论经济、科技、文教等领域，还是人无论经济、科技、文教等领域，还是人们日常生活，都

7、离不开计量单位。们日常生活，都离不开计量单位。 世界各国世界各国对统一计量制度历来都十分重视，并把它作对统一计量制度历来都十分重视，并把它作为基本国策之一（如我国），有的甚至写入为基本国策之一（如我国），有的甚至写入了国家宪法。了国家宪法。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 1984-02-27，国务院发布国务院发布关于在我关于在我国统一实行法定计量单位的命令国统一实行法定计量单位的命令，确定，确定了以先进的国际单位制（了以先进的国际单位制（SI）单位为基础）单位为基础的我国法定计量单位（以下简称法定单的我国法定计量单位（以下简称法定单位），这是进一步统一我国计量制度的一位），这

8、是进一步统一我国计量制度的一项重要决策。项重要决策。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 我国法定计量单位是国务院发布的在我国法定计量单位是国务院发布的在全国全国采用的计量单位，凡属法定单位，我国的任何采用的计量单位，凡属法定单位，我国的任何地区、部门、机构和个人，都地区、部门、机构和个人，都必须必须毫无例外地毫无例外地遵照采用。遵照采用。 1985-09-06，全国人大常委会通过了全国人大常委会通过了中华中华人民共和国计量法人民共和国计量法，规定：，规定：我国采用我国采用SI，使，使用法定单位，非法定单位用法定单位，非法定单位应当应当废除。废除。这这就以法就以法律的形式确保了国家

9、计量制度的统一律的形式确保了国家计量制度的统一。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 1) SI基本单位基本单位 共共7个个(表表1 )，分别是相互独立的最重要，分别是相互独立的最重要的的7个基本量的单位。它们是个基本量的单位。它们是SI单位的基础。单位的基础。 基本构成基本构成 ： 以以SI单位为基础，加上国家选定的若干单位为基础，加上国家选定的若干非非SI的单位构成，具体包括的单位构成，具体包括5部分。部分。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论表表1 SI基本单位基本单位 长度长度 米米 m 质量质量 千克千克(公斤公斤) kg 时间时间 秒秒 s 电流电流 安安培

10、培 A 热力学温度热力学温度 开开尔文尔文 K 物质的量物质的量 摩摩尔尔 mol 发光强度发光强度 坎坎德拉德拉 cd 量名称量名称 单位名称单位名称 单位符号单位符号第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 2) 2) 具有专门名称的具有专门名称的SI导出单位导出单位 由由SI通过定义、定律及其它函数关系派通过定义、定律及其它函数关系派生出来的单位是导出单位。如频率的单位赫生出来的单位是导出单位。如频率的单位赫兹（兹（Hz) )，定义为，定义为“周期为周期为1 1秒的周期现象秒的周期现象的频率的频率”即即Hz = 1/1/s . . 第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论

11、表表2 具有专门名称的具有专门名称的SI导出单位导出单位 量名称量名称 单位名称单位名称 单位符号单位符号 其他符号其他符号 频率频率 赫赫兹兹 Hz s-1 力力 牛牛顿顿 N kgm/s2 压力，压强，应力压力，压强，应力 帕帕斯卡斯卡 Pa N/m2 能能量量，功，热量，功，热量 焦焦耳耳 J Nm 功率，辐功率，辐射能射能通量通量 瓦瓦特特 W J/s 电荷电荷量量 库库仑仑 C As电压电压,电动势电动势,电位电位,(电势电势) 伏伏特特 V W/A 电容电容 法法拉拉 F C/V 电阻电阻 欧欧姆姆 V/A 电导电导 西西门子门子 S A/V 磁通磁通量量 韦韦伯伯 Wb Ws第二

12、章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论续表续表2 量名称量名称 单位名称单位名称 单位符号单位符号 其他符号其他符号 磁通磁通量量密度密度, 磁感应强度磁感应强度 特特斯拉斯拉 T Wb/m2 电感电感 亨亨利利 H Wb/A 摄氏温度摄氏温度 摄氏度摄氏度 K 放射性放射性活度活度 贝可贝可勒尔勒尔 Bq s-1 吸收剂量吸收剂量 戈戈瑞瑞 Gy J/kg 剂量当量剂量当量 希希沃特沃特 Sv J/kg 光通量光通量 流流明明 lm cdsr 光光照度照度 勒勒克斯克斯 lx lm/m2 平面平面角角 弧度弧度 rad 1 m/m=1 立体角立体角 球面度球面度 sr 1 m2/m2=

13、1 催化活性催化活性 卡塔卡塔 ( 未标准化未标准化) kat mol/s第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 3) 我国选定的非我国选定的非SI的单位的单位 共共16个个(表表3)，其中，其中14个为国际计量大个为国际计量大会选定的可与会选定的可与SI并用并用(11个个)或暂时可与或暂时可与SI并用（并用（3个）的非个）的非SI单位。单位。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 表表3 3 我国选定的非我国选定的非SISI的单位的单位 时间时间 分分 min 小小时时 h 天天(日日) d 平面平面角角 角角秒秒 角角分分 度度 量名称量名称 单位名称单位名称 单位符号

14、单位符号第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 量名称量名称 单位名称单位名称 单位符号单位符号 质量质量 吨吨 t 原子质量单位原子质量单位 u 体积体积 升升 L, (l) 能能 电子伏电子伏 eV 级差级差 分贝分贝 dB 长度长度 海里海里 n mile 速度速度 节节 kn 面积面积 公顷公顷 hm2 旋转速度旋转速度 转每分转每分 r/min 线密度线密度 特特克斯克斯 tex 续表续表3第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 4) 由以上单位组合而成的单位由以上单位组合而成的单位 凡由凡由1)1)3)3)列出的列出的45个法定单位通过乘或个法定单位通过乘或除组

15、合而成的单位除组合而成的单位, , 只要具有物理意义只要具有物理意义, , 都是都是法定单位法定单位( (示例见表示例见表4) )。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论表表4 组合单位示例组合单位示例 量名称量名称 单位名称单位名称 单位符号单位符号 电阻率电阻率 欧欧姆姆米米 m 浓度浓度 摩摩尔尔每升每升 mol/L 总质量阻总质量阻止本领止本领 电子伏二次方米每千克电子伏二次方米每千克 eVm2/kg 磁旋系数磁旋系数 安安培培平方米每焦平方米每焦耳耳秒秒 Am2/(Js)粒子辐射度粒子辐射度 每平方米秒球面度每平方米秒球面度 m2 s1 sr 1第二章测量仪器的基本理论第二

16、章测量仪器的基本理论 5) 5) 由由SI词头与以上单位构成的倍数单位词头与以上单位构成的倍数单位 SI词头是加在计量单位前面构成十进倍数词头是加在计量单位前面构成十进倍数或分数单位的因数符号或分数单位的因数符号, 每个词头都代表每个词头都代表1个因个因数数, 具有特定的名称和符号具有特定的名称和符号(表表5)。 第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 表表5 SI词头词头 因数因数 英文名称英文名称 中文名称中文名称 符号符号 1024 yotta 尧尧它它 Y 1021 zetta 泽泽它它 Z 1018 eza 艾艾可萨可萨 E 1015 peta 拍拍它它 P 1012 te

17、ra 太太拉拉 T 109 giga 吉吉伽伽 G 106 mega 兆兆 M第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 续续表表5 因数因数 英文名称英文名称 中文名称中文名称 符号符号 103 kilo 千千 k 102 hecto 百百 h 101 deca 十十 da 101 deci 分分 d 102 centi 厘厘 c 103 milli 毫毫 m第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 因数因数 英文名称英文名称 中文名称中文名称 符号符号 106 micro 微微 109 nano 纳纳诺诺 n 1012 pico 皮皮可可 p 1015 femto 飞飞母托母

18、托 f 1018 atto 阿阿托托 a 1021 zepto 仄仄普托普托 z 1024 yocto 幺幺科托科托 y 续表续表5第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论二、基本电子测量方法二、基本电子测量方法 针对不同测量任务进行具体分析以找针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。对于测量方法，从不同角度，分重要的。对于测量方法，从不同角度，有不同的分类方法，直接关系测量结果的有不同的分类方法，直接关系测量结果的可信度，测量工作的经济性、可行性。可信度，测量工作的经济性、可行性。第二章测量仪器的基本理论第二章

19、测量仪器的基本理论1、直接测量与间接测量、直接测量与间接测量( (根据获得测量值的方根据获得测量值的方法分类法分类) )（1） 直接测量直接测量：是一个直接的比较过程，所测到：是一个直接的比较过程，所测到的量值就是它最终所需要得到的被测量的值。对的量值就是它最终所需要得到的被测量的值。对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果。如电压表测电压。所需要的结果。如电压表测电压。优点：测量过程简单、迅速。优点：测量过程简单、迅速。缺点：测量精度不高。缺点：测量精度不高。在一般测量中普遍采用，广泛用于工程测量。在一般测量中普遍采用，广泛用于工程测

20、量。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（2）间接测量）间接测量当测量对象不便于直接测量，而与它当测量对象不便于直接测量，而与它有着确定的函数关系的另一个量便于测量有着确定的函数关系的另一个量便于测量时，可对后者进行直接测量，并进行数学时，可对后者进行直接测量，并进行数学计算，得到原始测量对象的相应量值。如计算，得到原始测量对象的相应量值。如功率测量，没有功率表直接测，可先测电功率测量，没有功率表直接测，可先测电压、电流或电阻，然后根据公式得到功率压、电流或电阻，然后根据公式得到功率值。值。 广泛用于科研，实验室及工程测量中。广泛用于科研，实验室及工程测量中。第二章测量仪器的基本理

21、论第二章测量仪器的基本理论2、调零测量、替代式测量与微差式测量、调零测量、替代式测量与微差式测量（根据测量方式分）（根据测量方式分）（1）调零测量）调零测量 调零测量法的原理是，将一个校对好调零测量法的原理是，将一个校对好的基准源与未知的被测量进行比较，并调的基准源与未知的被测量进行比较，并调节其中之一，使二量值的差为零，这样，节其中之一，使二量值的差为零，这样，从基准源的读数即可推算出被测量的值。从基准源的读数即可推算出被测量的值。优点：测量精度高。优点：测量精度高。缺点：不适应测量迅速变化的信号。缺点：不适应测量迅速变化的信号。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论U待 测 电

22、压 源R1R2AUx例：调零测量法测电压例：调零测量法测电压 U 为标准电压为标准电压源，源，R1和和R2是标准分压电阻，是标准分压电阻，A为电流表。为电流表。测量时，通过调节测量时，通过调节R1和和R2的比例，使电流表的比例，使电流表指示为零指示为零, ,得到：得到：212RRRUUx待测电源待测电源第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（2）替代式）替代式 分别把被测量和标准量接入同一测量分别把被测量和标准量接入同一测量系统，在用标准量替代被测量时，调节标系统，在用标准量替代被测量时，调节标准量，使系统的工作状态在替代前后保持准量，使系统的工作状态在替代前后保持一致，然后根据标准

23、量来确定被测量的数一致，然后根据标准量来确定被测量的数值的方法。曹冲称象就是替代法的一个例值的方法。曹冲称象就是替代法的一个例子。子。 有效消除了外界因素对测量结果的影有效消除了外界因素对测量结果的影响。响。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（3）微差式测量）微差式测量 通过测量被测量与标准量的差值或正通过测量被测量与标准量的差值或正比于该差值的量，根据标准量来确定被测比于该差值的量，根据标准量来确定被测量数值的方法。量数值的方法。V9VBB0XX为被测量，为被测量，B为标准量，为标准量，B0为被测量与标准量的微为被测量与标准量的微差，差，B0值可由指示仪表读值可由指示仪表读出，

24、即出，即 X=B+B0反应快，精度高反应快，精度高第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论3、静态测试、稳态测试和动态测试、静态测试、稳态测试和动态测试（按被测物理量时间特性分类）（按被测物理量时间特性分类）（1）静态测试：）静态测试： 被测对象属于直流（或变化缓慢）性质被测对象属于直流（或变化缓慢）性质的静态或准静态信号，测量过程不受时间限的静态或准静态信号，测量过程不受时间限制，测量原理，方法较简单。传统的测试大制，测量原理，方法较简单。传统的测试大多是在这种最简单的静态或准静态下进行的。多是在这种最简单的静态或准静态下进行的。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（2）

25、稳态测试）稳态测试 对于一个波形对于一个波形(幅度、频率和相位幅度、频率和相位)恒定恒定不变的周期交流信号，可以看成一个处于稳不变的周期交流信号，可以看成一个处于稳定状态的信号，这种周期性的交流信号是电定状态的信号，这种周期性的交流信号是电子测量的一个基本对象，常称为交流测量。子测量的一个基本对象，常称为交流测量。大多数仪器，如交流电压表、通用示波器、大多数仪器，如交流电压表、通用示波器、频率计，均只适用于测量这类处于平稳状态频率计，均只适用于测量这类处于平稳状态的周期性交流信号，因此，稳态测量是电子的周期性交流信号，因此，稳态测量是电子测量中最常见、使用最多的测量。测量中最常见、使用最多的测

26、量。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（3）动态测试）动态测试 自然界中存在大量瞬变冲击的物理现自然界中存在大量瞬变冲击的物理现象，如力学中的爆炸、碰撞；电学中的充象，如力学中的爆炸、碰撞；电学中的充放电、闪电、雷击，对这类随时间瞬间变放电、闪电、雷击，对这类随时间瞬间变化的对象进行测量，称为动态测量。如地化的对象进行测量，称为动态测量。如地震信号测量。震信号测量。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论三、常规小信号检测方法三、常规小信号检测方法 了解小信号检测的手段和方法，对微了解小信号检测的手段和方法，对微弱信号检测具有一定弱信号检测具有一定 参考价值。参考价值。1

27、、滤波、滤波 在大部分检测仪器中都要对模拟信号在大部分检测仪器中都要对模拟信号进行滤波处理，其目的为隔离直流分量、进行滤波处理，其目的为隔离直流分量、改善信号波形、防止离散化时的频率混叠，改善信号波形、防止离散化时的频率混叠，更多的滤波是为了克服噪声的不利影响，更多的滤波是为了克服噪声的不利影响，提高信号的信噪比。（提高信号的信噪比。（滤波消噪只适用于滤波消噪只适用于信号与噪声频谱不重叠的情况信号与噪声频谱不重叠的情况）第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论利用滤波器的利用滤波器的频率选择特性频率选择特性，可把滤波，可把滤波器的通带设置得能够覆盖有用信号的频谱，器的通带设置得能够覆盖

28、有用信号的频谱，所以滤波器不会使有用信号衰减或使有用信所以滤波器不会使有用信号衰减或使有用信号衰减很少。号衰减很少。常用的抑制噪声的滤波器：常用的抑制噪声的滤波器： 低通滤波器低通滤波器 带通滤波器带通滤波器另外，为了抑制某一特定频率的干扰噪另外，为了抑制某一特定频率的干扰噪声（如声（如50HZ工频干扰）的不利影响，有时还工频干扰）的不利影响，有时还使用带阻滤波器（陷波器）。使用带阻滤波器（陷波器）。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论2、调制放大与解调、调制放大与解调对于变化缓慢的信号或直流信号，如果对于变化缓慢的信号或直流信号，如果不经过变换处理，而直接利用直流放大器进不经过变

29、换处理，而直接利用直流放大器进行放大，则传感器和前级放大器的低频噪声行放大，则传感器和前级放大器的低频噪声及缓慢漂移（包括温度漂移和时间漂移）经及缓慢漂移（包括温度漂移和时间漂移）经放大后会以很大的幅度出现在后级放大器的放大后会以很大的幅度出现在后级放大器的输出端，当有用信号幅度比较小时，有可能输出端，当有用信号幅度比较小时，有可能根本检测不出来。根本检测不出来。简单的电容隔直方法能有效的抑制漂移简单的电容隔直方法能有效的抑制漂移和低频噪声，但是对有用信号的低频分量也和低频噪声，但是对有用信号的低频分量也具有衰减作用。具有衰减作用。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论在这种情况下，

30、利用调制放大器能有效解决在这种情况下，利用调制放大器能有效解决上述问题。这样的调制放大器多采用幅度调上述问题。这样的调制放大器多采用幅度调制的方法（见下图）。幅度调制在无线广播制的方法（见下图）。幅度调制在无线广播和接收中用的很广泛。和接收中用的很广泛。调制调制AC放大放大解调解调LPF载波振荡器载波振荡器被测信号被测信号VS (t)Vm (t)Vd (t)输出信号输出信号V0 (t)载波信号载波信号Vc (t)第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论2.3.2微弱信号检测基础微弱信号检测基础 人类认识世界，就需要测量技术，同时人类认识世界，就需要测量技术，同时要不断提高测量技术水平。

31、测量技术的两个要不断提高测量技术水平。测量技术的两个基本问题是基本问题是速度和精度速度和精度。速度快，不仅节省。速度快，不仅节省测量时间，而且意味着对测量系统快速变化测量时间，而且意味着对测量系统快速变化的响应和处理能力的提高；测量精度是测量的响应和处理能力的提高；测量精度是测量系统的重要评判指标，测量精度的提高意味系统的重要评判指标，测量精度的提高意味着检测灵敏度的提高和动态范围的扩大，即着检测灵敏度的提高和动态范围的扩大，即能容纳更多的噪声和从噪声中提取信号能力能容纳更多的噪声和从噪声中提取信号能力的提高。的提高。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论一、微弱信号检测的概念一、微

32、弱信号检测的概念1、微弱信号定义、微弱信号定义 微弱信号检测微弱信号检测( (Weak Signal Detection，简称简称WSD) )技术是用来提高测量精度的技术，技术是用来提高测量精度的技术，它利用物理学、电子学、信息论和计算机技它利用物理学、电子学、信息论和计算机技术等学科成果，分析噪声产生的原因和规律，术等学科成果，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，测量被噪声淹没的计特性，测量被噪声淹没的微弱有用信号。微弱有用信号。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 “微弱信号微弱信号”不仅意味着信号的幅度

33、很小，不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是而且主要指的是被噪声淹没的信号被噪声淹没的信号。“微弱微弱”是相对于噪声而言的，信号的幅度是相对于噪声而言的，信号的幅度绝对值极小，如电信号振幅是绝对值极小，如电信号振幅是v级，级，nv级级pv级，此时，有用信号完全淹没在噪声中。级，此时，有用信号完全淹没在噪声中。 微弱信号检测技术不同于一般的检测技微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型、原理、术，它注重的不是传感器的物理模型、原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论如何抑制噪声和

34、提高信噪比如何抑制噪声和提高信噪比，因此，可以说，因此，可以说，微弱信号检测是一门微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。专门抑制噪声的技术。 目前，地震勘探大多已进入高分辨率勘目前，地震勘探大多已进入高分辨率勘探时代，现在等待人们去寻找的都是一些埋探时代，现在等待人们去寻找的都是一些埋藏较深，地质条件较复杂的小构造油田或岩藏较深，地质条件较复杂的小构造油田或岩性圈闭油田，对仪器分辨薄层的能力要求高，性圈闭油田，对仪器分辨薄层的能力要求高，要求能记录深层反射信号中幅度很弱的要求能记录深层反射信号中幅度很弱的第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论高频分量。但是，由于被测信号很微弱，传高频

35、分量。但是，由于被测信号很微弱，传感器的本底噪声，放大电路及测量仪器的固感器的本底噪声，放大电路及测量仪器的固有噪声，以及外界的干扰噪声往往比有用信有噪声，以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大的多，放大被测信号的过程同时号的幅度大的多，放大被测信号的过程同时也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，因此，只靠放大是不能把微弱信号的噪声，因此，只靠放大是不能把微弱信号检测出来的，只有在有效抑制噪声的条件下检测出来的，只有在有效抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。第二章测量仪器的基本理论第二章

36、测量仪器的基本理论构造油田：背斜、断层，地震勘探容易分辨构造油田：背斜、断层，地震勘探容易分辨（因地层不同）（因地层不同）第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论岩性油藏是在岩性油藏是在同一地层同一地层中，由于中，由于岩性的岩性的差异差异来构成的油藏，一般仪器来构成的油藏，一般仪器不好分辨。不好分辨。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论嘉二嘉二1顶界顶界雷一雷一1顶界顶界嘉二嘉二1储层储层嘉二嘉二3储层储层嘉四嘉四3储层储层嘉四嘉四1储层储层第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器

37、的基本理论 为了表征噪声对信号的覆盖程度，人为了表征噪声对信号的覆盖程度，人们引入了信噪比们引入了信噪比 SNR (signal noise ration)的概念。信噪比指的是信号的有效值的概念。信噪比指的是信号的有效值 S 与与噪声的有效值噪声的有效值 N 之比，即之比，即SNR = S / N第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论信噪比可以是电压比值，一般表示为信噪比可以是电压比值，一般表示为SNRV ；也可以是功率比值，一般表示为也可以是功率比值，一般表示为SNRP 。微。微弱检测的弱检测的关键关键是是提高信噪比。提高信噪比。评价一种微弱信号检测方法的优劣，经常采评价一种微弱信

38、号检测方法的优劣，经常采用两种指标：一是信噪改善比用两种指标：一是信噪改善比 SNIR (signal noise improvemer ration)；一是有效的检一是有效的检测分辨率。测分辨率。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论“信噪改善比信噪改善比”定义为定义为inoutioNSNSSNRSNRSNIR)()(式中式中OSNR是系统输出端的信噪比是系统输出端的信噪比iSNR是系统输入端的信噪比是系统输入端的信噪比SNIR越大，表明系统抑制噪声的能力越越大，表明系统抑制噪声的能力越强。强。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论“检测分辨率检测分辨率”是检测仪器示值可

39、以响应与是检测仪器示值可以响应与分辨的最小输入量的变化值。检测分辨率分辨的最小输入量的变化值。检测分辨率不同于检测灵敏度，灵敏度是检测系统标不同于检测灵敏度，灵敏度是检测系统标定曲线的斜率，一般情况下，灵敏度越高，定曲线的斜率，一般情况下，灵敏度越高，分辨率越好，但是，提高系统的放大倍数分辨率越好，但是，提高系统的放大倍数可以提高灵敏度，但却不一定能提高分辨可以提高灵敏度，但却不一定能提高分辨率，因为分辨率受噪声和误差的制约。率，因为分辨率受噪声和误差的制约。 一般用一般用信噪改善比信噪改善比这个指标。这个指标。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 自从自从1962年第一台锁相放大

40、器问世的年第一台锁相放大器问世的四十多年来，微弱信号检测技术得到了长四十多年来，微弱信号检测技术得到了长足的发展，信噪改善比得到不断提高，近足的发展，信噪改善比得到不断提高，近年在一些专门检测领域（如弱电流）年在一些专门检测领域（如弱电流）SNIR已达到已达到107从而推动了物理、化学、天文、从而推动了物理、化学、天文、生物、医学等学科的发展。（本书生物、医学等学科的发展。（本书P13页表页表2-1所示数据为所示数据为20世纪世纪80年代所达到的）年代所达到的）第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论2 2、微弱信号检测方法、微弱信号检测方法 微弱信号检测就是从噪声中提取有用微弱信号检

41、测就是从噪声中提取有用信号。目前常用的比较成功的方法有如下信号。目前常用的比较成功的方法有如下几种几种: :第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（1）频域信号的窄带化及相关检测技术）频域信号的窄带化及相关检测技术 通过限制测量系统带宽的方法，把大量通过限制测量系统带宽的方法，把大量带宽外的噪声排除，这种技术称为窄带化技带宽外的噪声排除，这种技术称为窄带化技术；对于有相关性的信号，可利用相关检测术；对于有相关性的信号，可利用相关检测技术，把相位不同于信号的噪声部分排除，技术，把相位不同于信号的噪声部分排除，也可把与信号频率相同，但相位不同的噪声也可把与信号频率相同，但相位不同的噪声也

42、大量排除。锁相放大器是当前频域信号相也大量排除。锁相放大器是当前频域信号相关检测的主要仪器。关检测的主要仪器。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论模拟锁相放大器锁相放大器 ND-201锁相放大器锁相放大器 第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论锁相放大器锁相放大器 第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（2）时域信号的平均处理）时域信号的平均处理 信号若是周期脉冲波系列，则信号有很窄信号若是周期脉冲波系列，则信号有很窄的频带，就无法使用相关检测，但由于噪声是的频带，就无法使用相关检测，但由于噪声是随机的，可将其多次测量后平均，就可排除噪随机的，可将其多次测量后平

43、均，就可排除噪声的影响，用接近信号真实值的特性来进行测声的影响，用接近信号真实值的特性来进行测量。其代表性的仪器有量。其代表性的仪器有Boxcar平均器或称取样平均器或称取样积分器（积累平均器），这类仪器的缺点是取积分器（积累平均器），这类仪器的缺点是取样效率低，不能充分利用信号波形，其次是不样效率低，不能充分利用信号波形，其次是不利于低重复频率的信号的恢复，只适用于利于低重复频率的信号的恢复，只适用于第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论频率较高的时域信号，从而限制了它的使用；频率较高的时域信号，从而限制了它的使用；随着微型计算机应用的发展，出现了信号多随着微型计算机应用的发展，出

44、现了信号多点数字平均技术，可最大限度地抑制噪声或点数字平均技术，可最大限度地抑制噪声或节约时间，并能完成多种模式的平均功能。节约时间，并能完成多种模式的平均功能。Boxcar平均器平均器 第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（3）离散量的计数统计）离散量的计数统计 对于只关心单位时间到达的脉冲数的及对于只关心单位时间到达的脉冲数的及窄的脉冲信号，如光子流，宇宙射线流的测窄的脉冲信号，如光子流，宇宙射线流的测量，就要选择或设计传感器，使信号有尽量量，就要选择或设计传感器，使信号有尽量相近的窄脉冲输出，利用幅度甄别器，大量相近的窄脉冲输出，利用幅度甄别器，大量排除噪声计数，利用信号的统

45、计规律，决定排除噪声计数，利用信号的统计规律，决定测量参数，进行数据修正。测量参数，进行数据修正。（仪器有光（仪器有光子计数器）子计数器）第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 SR400双通道门控光子计数器双通道门控光子计数器 SR430光子计数多道定标光子计数多道定标/平均器平均器 第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（4）并行检测）并行检测 对于只发生一次或希望在测量范围内用对于只发生一次或希望在测量范围内用扫描方式同时获得结果就需要用传感器阵扫描方式同时获得结果就需要用传感器阵列，进行并行检测，且每个传感器必须有列，进行并行检测，且每个传感器必须有存储效应，使数据

46、依次读出。并行检测可存储效应，使数据依次读出。并行检测可实现快速分析，目前多用于光学，核物理实现快速分析，目前多用于光学，核物理方面。方面。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论（5）自适应噪声抵消）自适应噪声抵消 利用一个与原始输入相关的噪声来抵消利用一个与原始输入相关的噪声来抵消原始输入中的噪声，从而获得几乎未产生畸原始输入中的噪声，从而获得几乎未产生畸变的有用信号，也就是利用变的有用信号，也就是利用噪声与被测信号噪声与被测信号不相关不相关的特点，自适应地调整滤波器的传输的特点，自适应地调整滤波器的传输特性，尽可能地抑制和衰减干扰噪声，提高特性，尽可能地抑制和衰减干扰噪声，提高系

47、统的信噪比。比如，打长途电话时，由于系统的信噪比。比如，打长途电话时，由于接收端的反射作用，传出的话音会反向传回接收端的反射作用，传出的话音会反向传回来，使说话者又听到自己的话音，这就是来，使说话者又听到自己的话音，这就是第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论回声干扰，解决这个问题的一种方法就是利回声干扰，解决这个问题的一种方法就是利用自适应回波干扰抵消装置来消除这种回声用自适应回波干扰抵消装置来消除这种回声干扰。再如自适应滤波器，在地震数据处理干扰。再如自适应滤波器，在地震数据处理中也有运用。中也有运用。语音信号波形语音信号波形滤波后滤波后语音信号波形语音信号波形第二章测量仪器的基

48、本理论第二章测量仪器的基本理论（6）计算机数字处理）计算机数字处理 利用计算机软件来实现过去使用硬件利用计算机软件来实现过去使用硬件来完成的工作任务。如曲线平滑，逐点平来完成的工作任务。如曲线平滑，逐点平均，数字滤波，快速傅立叶变换等数字信均，数字滤波，快速傅立叶变换等数字信号处理技术对含有噪声的信号进行处理，号处理技术对含有噪声的信号进行处理，从而提高信噪比。（但前提是，所提取的从而提高信噪比。（但前提是，所提取的数据中必须有有用信号）数据中必须有有用信号）第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论二、噪声及其抑制方法概述二、噪声及其抑制方法概述 人们发现，一切物理量的测量精度都受人们

49、发现，一切物理量的测量精度都受到背景噪声的限制。信号源本身存在固有噪到背景噪声的限制。信号源本身存在固有噪声，其输出信号中既包含有用信号，也不可声，其输出信号中既包含有用信号，也不可避免地包含噪声；组成放大器的元器件也存避免地包含噪声；组成放大器的元器件也存在固有噪声，在对输入信号进行放大的同时，在固有噪声，在对输入信号进行放大的同时，也加入了噪声；放大器之后的各种信号处理也加入了噪声；放大器之后的各种信号处理和变换电路、显示记录电路等也存在噪声。和变换电路、显示记录电路等也存在噪声。测量系统各部分之间还存在相互影响，每一测量系统各部分之间还存在相互影响，每一部分还可能受到外界的影响，进一步降

50、低测部分还可能受到外界的影响，进一步降低测量精度。量精度。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论1、噪声定义、噪声定义 要检测出微弱的有用信号，就必须抑要检测出微弱的有用信号，就必须抑制噪声。什么是噪声制噪声。什么是噪声?由于电路中电子及其由于电路中电子及其它载流子（晶体管中的空穴）的随机扰动，它载流子（晶体管中的空穴）的随机扰动，电路内部的噪声无处不再；另外，电路外电路内部的噪声无处不再；另外，电路外部的各种干扰也会在电路中感应出不同频部的各种干扰也会在电路中感应出不同频率分布的噪声。无论是内部噪声，或外部率分布的噪声。无论是内部噪声，或外部干扰，我们在这里统称为噪声。噪声可概干扰

51、，我们在这里统称为噪声。噪声可概括为括为有用信号以外所有扰动的总称。有用信号以外所有扰动的总称。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论噪声与干扰噪声与干扰v通常把由于材料或器件的物理原因产生通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。的扰动称为噪声。v把来自外部的原因的扰动称为干扰，有把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。一定的规律性，可以减少或消除。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论2、噪声分类与抑制方法、噪声分类与抑制方法 如下图所示：如下图所示：第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论电子噪声电子噪声自然噪声自然噪声人为噪声

52、人为噪声电路噪声电路噪声爆爆裂裂噪噪声声点点火火天天体体噪噪声声空空间间噪噪声声电电机机感感应应闪闪烁烁噪噪声声散散粒粒噪噪声声热热噪噪声声宇宇宙宙射射线线雷电雷电光辐射光辐射也称固有噪声也称固有噪声第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 由上面看出，噪声气势很强，来源很广，由上面看出，噪声气势很强，来源很广，所以要提高信噪比，首先就要抑制噪声。所以要提高信噪比，首先就要抑制噪声。抗干扰三要素：抗干扰三要素： 若用若用 N 表示电路所受干扰的程度，则表示电路所受干扰的程度，则 N 可用下述公式表示可用下述公式表示 N = G C / I式中，式中， G是噪声发生源的强度，是噪声发生源

53、的强度，C是从噪声源是从噪声源通过某种途径传到受干扰电路的耦合因素，通过某种途径传到受干扰电路的耦合因素，I是受干扰电路的抗干扰性能。所以，是受干扰电路的抗干扰性能。所以，G、C、I表示了抗干扰的三要素。表示了抗干扰的三要素。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论(1)(1)电路噪声的产生与规律及其抑制方法电路噪声的产生与规律及其抑制方法a)a)热噪声热噪声 任何电阻或导体，即使没有连接到信任何电阻或导体，即使没有连接到信号源或电源，其两端也会出现很微弱的电号源或电源，其两端也会出现很微弱的电压波动，这就是电阻的热噪声。电阻的热压波动，这就是电阻的热噪声。电阻的热噪声起源于电阻中自由

54、电子的随机热运动，噪声起源于电阻中自由电子的随机热运动，导致电阻两端电荷的瞬时堆积，形成噪声导致电阻两端电荷的瞬时堆积，形成噪声电压。电压。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 热噪声电压具有随机性，而且几乎覆盖热噪声电压具有随机性，而且几乎覆盖整个频谱，类似于光学中的白光，所以可称整个频谱，类似于光学中的白光，所以可称热噪声为热噪声为“白噪声白噪声”，即热噪声电压的有效，即热噪声电压的有效值在各频率分量上皆相等。所以，经研究计值在各频率分量上皆相等。所以，经研究计算，对于带宽为算，对于带宽为f 的测量装置，其测量电路的测量装置，其测量电路中阻值为中阻值为R的电阻上热噪声电压的有效

55、值为的电阻上热噪声电压的有效值为 fkTRU 2n第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论上式中，上式中，f 为噪声带宽为噪声带宽( (Hz) )；R 为电阻值（为电阻值（）；k 1.38 10- -23J/ /K为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；T 为绝对温度为绝对温度( (K) )。 第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论例如，对于输入电阻例如，对于输入电阻Ri 1MW W，带宽，带宽f 500kHz的放大器，设环境温度的放大器，设环境温度T 300K，可求出热噪声电压的有效值为可求出热噪声电压的有效值为91m mV。若输入。若输入被测信号为微伏量级，将被热噪声所淹没。被测

56、信号为微伏量级，将被热噪声所淹没。 根据上式可知，降低热噪声的主要途径是根据上式可知，降低热噪声的主要途径是减小减小R和和f 。尽管降低温度也有助于降低热噪。尽管降低温度也有助于降低热噪声，但效果不明显，例如，将电阻浸在液态氮声，但效果不明显，例如，将电阻浸在液态氮( (77K) )中，热噪声电压有效值也仅仅减小约中，热噪声电压有效值也仅仅减小约50%。 第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 b) )散粒噪声散粒噪声 散粒噪声存在于电子管和半导体器件中。散粒噪声存在于电子管和半导体器件中。在电子管里，散粒噪声来自阴极电子的随机发在电子管里，散粒噪声来自阴极电子的随机发射。在半导体器

57、件中，散粒噪声是越过射。在半导体器件中，散粒噪声是越过PN结结的载流子的随机扩散和电子孔穴对的随机产生的载流子的随机扩散和电子孔穴对的随机产生与复合造成的。与复合造成的。凡是具有凡是具有PN结的元件均存在结的元件均存在这种散粒噪声这种散粒噪声。散粒噪声使得流过电子管和。散粒噪声使得流过电子管和PN结的电流出现小幅度的随机波动。结的电流出现小幅度的随机波动。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论 散粒噪声电流的有效值在各频率分量散粒噪声电流的有效值在各频率分量上皆相等，也属于白噪声。研究表明，在上皆相等，也属于白噪声。研究表明，在平均电流不太大、频率不太高的条件下，平均电流不太大、频率

58、不太高的条件下，对于带宽为对于带宽为f 的测量装置，流过其测量电的测量装置，流过其测量电路中的电子管或路中的电子管或PN结的散粒噪声电流的有结的散粒噪声电流的有效值为效值为 fqIIdcn2第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论显然，为了减小散粒噪声的影响，显然，为了减小散粒噪声的影响，Idc越小越越小越好，尤其对于放大器的前置级。另外减小带好，尤其对于放大器的前置级。另外减小带宽。宽。 式中：式中：q=1.602 10-19C，为电子电荷量；，为电子电荷量；Idc 为平均直流电流；为平均直流电流；f 为系统的等效噪声带宽。为系统的等效噪声带宽。第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器

59、的基本理论c) )闪烁噪声（接触噪声）闪烁噪声（接触噪声） 接触噪声发生在两导体相连接的地方，是接触噪声发生在两导体相连接的地方，是由于接触点电导的随机涨落引起的。凡是有由于接触点电导的随机涨落引起的。凡是有导导体接触不理想体接触不理想的元器件，都存在的元器件，都存在接触噪声接触噪声。接。接触噪声最早是在电子管的极板电流中发现的，触噪声最早是在电子管的极板电流中发现的，称为闪烁噪声。后来在各种半导体器件中也发称为闪烁噪声。后来在各种半导体器件中也发现了接触噪声现了接触噪声, ,另外，导电材料的不连续也会另外，导电材料的不连续也会产生接触噪声，如碳电阻，电流必须流过许多产生接触噪声，如碳电阻，电

60、流必须流过许多碳粒之间的接触点，接触噪声就很严重，碳粒之间的接触点，接触噪声就很严重，第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论金属膜电阻的接触噪声就要小得多，金属丝金属膜电阻的接触噪声就要小得多，金属丝线绕电阻则最小。接触噪声电流的有效值在线绕电阻则最小。接触噪声电流的有效值在各频率分量上不相等，各频率分量上不相等，不属于白噪声不属于白噪声。在。在f1和和f2之间的频段中，接触噪声电流的有效值之间的频段中，接触噪声电流的有效值为为 122ffKIIlndcn第二章测量仪器的基本理论第二章测量仪器的基本理论式中：式中：K为取决于接触面材料类型和几何形状的系为取决于接触面材料类型和几何形状