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微弱信号测量技术与应用

[引言]

1．相关检测

相关检测是一种微弱信号频域窄带化处理方法，是—种积分过程的相关测量。典型的检

测仪器设备是以相敏检波器简称为PSD。

2．重复信号的时域平均

盈复信号时域平均法适用于信号波形恢复的测量，代表性的仪器有Boxcar平均器或称

取样积分器。

3．离散信号的统计处理

由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征，使利用离散信号统计处理方法检

测微弱光信号成为可能。

此外，尚有利用计算机软件进行曲线拟合、平滑、数字滤波、快速傅里叶变换(FFT)及

谱估计等方法处理微弱信号，提高信噪比，以实现微弱信号检测。

本实验重点介绍：以相敏检波器(PhaseSensitiveDetector，简称为PSD)为核心的锁相放

大器(lock—inAmplifier。简称LIA)原理，锁相放大器测量P—N结电容随反向偏压的变

化；简单介绍取样积分器原理；有其离散信号的统计处理方法将在核衰变规律及测量统计分

析中作介绍。

[实验目的]

1．学习和掌握利用微弱信号领域窄带化相关检测泌的锁相放大器阶基本原理和使用方

法，着重掌握相关器的原理；

2．学习使用锁相放大器。侧量P—N结势垒电容随P—N结反向偏置电压的变化，进行

实验数据处理和结果分析。

[实验原理]

一．实验原理。

1、信号、噪声、和信噪比

（1）信号

在物理实验的模拟过程中，所谓“信号”，是指反映某些物理量在一定实验条

件下变化的信息。

一般来说，要检测一个信号，首先要知道被检测信号的特征参数：波形、幅度

（平均时或有效值）、周期及频率、调制深度、频谱、波形的时间特征（如宽度、

上升时间、下降时间、时间间隔等）。实际测量中，只需测量有关参数，无须全部。

（2）噪声

干扰被测量的信号的随机涨落的电压或电流为之噪声。主要可分为：

A.来自测量时周围环境的噪声

B.信号源于测试仪器本身的产生的噪声

主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1/f噪声，其决定作用的是信号

输入端的前置放大器产生的噪声。

为定量说明噪声的大小，通过引入噪声功率，噪声功率密度和噪声

s()

功谱两个概念。

作为工程近似，噪声功率为在1负载电阻上的噪声电压的均方值。当使

用测量正弦波信号有效值的电子电压表测量噪声信号的有效值时，要将读数乘

于1.13进行修正。

在平稳随机过程中，噪声功率按频率分布，则成为噪声的功率谱。

单位频率间隔内，1负载电阻上的噪声电压的均方值，定义为噪声功率

密度。

s()



P(,)

（6-4-1）

s()lim







0



其中我为角频率处，带宽为内，在1负载电阻上的噪声平均功率。

P(