微弱信号检测技术-2017年10月.pdf

第一篇、微弱信号检测技术的一般介绍 一、微弱信号检测技术： 1、概述： 随着科学技术和生产的发展，需要测量许多物理量的微小变化。例如：微弱电压或电流。 微弱磁场，微小温度变化，微小的电感，微小的电容，微小的位移，微小的振动，微弱的光 等等。特别是极端条件下的微弱信号的测量。 一般来讲，许多非电量的微小变化都通过传感器变成电信号进行放大，显示或记录。由 -6 -7 -9 于这些微小量的变化通过传感器转换成的电信号十分微弱。可能是 10 V 、10 V 甚至是 10 V 或更小。对于这些微弱信号的检测，噪声和干扰是主要矛盾，由于物质总是由带电的分子和 原子组成，并物体总是存在于一定的温度条件下。带电粒子的热扰动则产生热噪声。另外， 电子电路中的半导体器件的载流子的复合和再生所产生的噪声，受半导体表面状态影响的闪 烁噪声，以及光的量子噪声等。这些噪声所代表的噪声电压可能把有用的微弱信号深深地淹 没掉。 除了上述这些噪声外，还有一些人为干扰和自然界的干扰。这些干扰和噪声来自于测量 系统的外部。原则上可以采用电磁屏蔽的方法使降到最小。但是，在实际工作中，要消除这 些干扰或噪声，也不是轻而易举的事。 微弱信号检测技术就是要研究、观察、记录科研和生产中各种物理量的微小变化，解决 在噪声或干扰中检测有用的微弱信号问题。一个放大器或一个信号检测系统的基本任务就是 在噪声或干扰背景中选出我们所需要的信号。然而，对于一般的宽带放大器而言。由于噪声、 干扰和信号混在一起，它把无用的噪声、干扰和有用的信号一起放大。只有当信号大于噪声 或干扰的情况下，这种放大器才能作为检测的有用工具。如果噪声或干扰大于有用信号，通 过这种放大器之后，不但不能提取有用信号，放大器的输出还加进了放大器本身的噪声，使 信号被噪声淹没得更深。即使放大器本身的噪声不考虑（所谓理想放大器），也不过只能维持 放大器输入端的信噪比，因为这种放大器并没有从信号和噪声本身的特性出发，而只能从信 号和噪声共有的特性平均功率的大小来区分信号和噪声。只有从信号和噪声本身的特性出发， 针对信号和噪声的不同特性，充分利用它们本身的特性的基础上拟订检测方法，才是最有效 的，才有可能从噪声中检测信号。 近几十年来，信息论的研究对信号和噪声本身的统计特性作了许多研究。为检测淹没在 噪声背景中的微弱信号提供了理论基础。并提出了许多根据噪声和信号本身的不同特性，检 测深埋在噪声背景中信号的方法。同时，现代电子技术的发展为实现这些方法创造了物质条 件。 2、微弱信号检测的几种经典方法： （1）、同步积累： 积累法在原理上是很古老的，人们在日常生活实践中经常应用。这种方法的要点在于将 信号多次重复。由于信号是周期性的重复，噪声不具有这特性，每个周期的信号受到噪声的 干扰不同，只要把这些受到不同干扰的信号多次重复，互相对照，就可以识别信号的原形。 信号重复次数越多，恢复的信号越接近于原信号，或者说系统抑制噪声的能力越强。由此可 见，这种方法实际上就是接收设备中把重复的周期信号按某种方式累积起来。人们的经验表 明：当两人在通电话时，由于通路噪声大听不清对方的话，发方常须重复几次，收方才能听 清楚，这是简单的积累法。用信息论的观点来看，每次接收者从所听到的语句中得到的信息 量不够，重复几次，信息量通过人的大脑积累到一定的数量后就明白了。 对于信号检测，设信号是一串周期性的窄脉冲，周期为 T，在检测时，可把通路接到一 个分配器，分配器上的每一个出路都接到一个积累器，如图 1-1 所示。 1 图 1-1、同步积累示意图 这样，当分配器工作时，通路被轮流地接到每一积累器。如果分配器对工作周期（图 1-1 中“弧刷”转一圈）与信号的重复周期相同，则时间区间 T 就被分割为若干区。设积累器的 数目是 n ，并设分配器从一个出路到另一个出路的过渡时间可以忽略，则通路接到每个积累 器上的时间是 ΔT=T / n 由于分配器的工作周期与信号重复周期相同，所以在每次信号到来的那个时间区间，通 路都恰好接在同一积累器j 上。这种方法称同步积累。 利用这种方法，只