微弱信号检测(1)

1、4.3 前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产生噪声生噪声“污染污染”；但；但如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信号或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信号处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同中，这时要想将信号检测出来，必须

2、根据信号和噪声的不同特点，借助一些特点，借助一些特殊的微弱信号检测方法特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离，将信号与噪声分离，将信号从噪声中提取出来。将信号从噪声中提取出来。 S/N R R0 0C C0 0时，可得到：时，可得到：cos)12(2100nVRRVAm当当n=0n=0时，即为基波输出，振幅为：时，即为基波输出，振幅为： 0102AmAmVVRR)12(10 122nAmAmVnVRR记作则：则： 1210)12(nVVAmnAm1210)12(nVVAmnAm用图表示：用图表示： 011/31/51/71/9/R13579相关器奇次谐波输出的频率响应相关器奇次谐波输出的频率响

3、应0)12(AmnAmVV ) 12(Rn当当可简化为：可简化为：100CRR)(00cTCRt 20012100)(1) cos() 12(2CRtnVRRVnAm12 n代表奇次谐波与参考信号的相位差。代表奇次谐波与参考信号的相位差。 由上式可画出相关器输出函数的幅频特性图由上式可画出相关器输出函数的幅频特性图相关器输出函数的幅频特性图： 0)12(AmnAmVV20012100)(1) cos() 12(2CRtnVRRVnAm 以上是输入信号为正弦波的情况，实际测量中，以上是输入信号为正弦波的情况，实际测量中，常把慢变化或直流信号斩波，使之成为方波信号后常把慢变化或直流信号斩波，使之成

4、为方波信号后再进行测量，这时：再进行测量，这时： )() 12sin(12140tnnVVRnAmA可按同样的方法运算，求解化简得到：可按同样的方法运算，求解化简得到： )21 (100AmVRRV为两方波的相位差为两方波的相位差参考信号为对称方波，且参考信号为对称方波，且 ： )12sin(12140tnnVRnB为输入信号相对于参考信号的延迟时间。为输入信号相对于参考信号的延迟时间。 /2 V V0 00相关器的输出与相位差的线性关系相关器的输出与相位差的线性关系)21 (100AmVRRV 输入信号为对称方波时，相输入信号为对称方波时，相关器输出直流电压为信号幅关器输出直流电压为信号幅度

5、（度（VAm）乘以积分器的直）乘以积分器的直流放大倍数（流放大倍数（R0/R1），），且与且与两方波的相位差两方波的相位差成线性关成线性关系，动态范围大，系，动态范围大，AmVRRVV10max0000VmAVRRVV10max0020ssnsssnsoVnVVVnnVV 1211sjnjsVnV1122222212222121)(1nnnnnnnnnnnnnoVnVnVVVnnVVVVV222222nisinsnosoVVnVVnVVnPPPPVVVVSNIRnisinosonisinoso/2222101nisiPP400nsPP401014/00nisinsPPPPn其中其中V1（t）为

6、输入信号，）为输入信号， V2（t）为与）为与V1（t）周期相同的参考信号，）周期相同的参考信号，同步开关受同步开关受V2（t）产生的控制信号控制，能保）产生的控制信号控制，能保证证V1（t）在累积器中同相地累积起来。）在累积器中同相地累积起来。 其中其中Vi（t）为输入信号，）为输入信号， VR（t）为与）为与Vi（t）周期相）周期相同的参考信号，同步开关受同的参考信号，同步开关受VR（t）产生的控制信号控制，能）产生的控制信号控制，能保证保证Vi（t）在累积器中同相地）在累积器中同相地累积起来。累积起来。 注意：相关器输出为直流，而同步注意：相关器输出为直流，而同步积分器输出为交流！积分器

7、输出为交流！)12sin(12140tnnVRnRcos2AmmRVV 输出方波幅值输出方波幅值Vm正比于正比于信号幅值信号幅值和和信号与参考信号之间的相位差余弦信号与参考信号之间的相位差余弦。R如采用如图所示的运放，则：如采用如图所示的运放，则：cos21AmmVRRV ) sin(tVVAmA0mVRl) 1(22/1)2(1)cos(2RCtKRIVKimKmRK) 12(lKcos2KRVVAmm注意：输出交流信号为方波，其频率为参考信号频率注意：输出交流信号为方波，其频率为参考信号频率)() 12sin(12140tnnVVRnAmA)21 (1AmmVRRV 输出方波的振幅与输出方

8、波的振幅与（两方波（两方波的相位差）成线性关系的相位差）成线性关系)12sin(12140tnnVRnB000617. 0CRfN0000159. 021CRCRfS0015 . 0CRfN00CRTcRC低通滤波器等效噪声带宽低通滤波器等效噪声带宽对于对于PSD，考虑到在基波附近，考虑到在基波附近的输出噪声都将在输出端产生噪声的输出噪声都将在输出端产生噪声分量，故分量，故PSD的基波等效噪声带宽应为的基波等效噪声带宽应为RC低通滤波器等效噪声带宽的低通滤波器等效噪声带宽的2倍，倍，0041CRfN对于白噪声，对于白噪声，相应谐波等效噪声带宽相应谐波等效噪声带宽为：为：国外仪器一般都用低通滤波

9、器的等效噪声带宽代替仪器国外仪器一般都用低通滤波器的等效噪声带宽代替仪器总的等效噪声带宽，这是不太严格的。总的等效噪声带宽，这是不太严格的。从抑制噪声的角度来看，时间常数从抑制噪声的角度来看，时间常数RC越大越好。但是越大越好。但是RC越大，放大器反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量越大，放大器反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量将受到限制。所以在锁定放大器中用减小带宽来抑制噪声是将受到限制。所以在锁定放大器中用减小带宽来抑制噪声是以牺牲响应速度为代价的。在测量中应根据被测信号的情况，以牺牲响应速度为代价的。在测量中应根据被测信号的情况，选择适当的时间常数，而不能无限度的追求越大越好。

10、选择适当的时间常数，而不能无限度的追求越大越好。输入总动态范围一般取决于前置放大器输入总动态范围一般取决于前置放大器的输入端噪声及输出直流漂移，往往是的输入端噪声及输出直流漂移，往往是给定的。当噪声大时应增加动态储备，给定的。当噪声大时应增加动态储备，使放大器不因噪声而过载，但这是以增使放大器不因噪声而过载，但这是以增大漂移为代价的。当噪声小时，可增大大漂移为代价的。当噪声小时，可增大输出动态范围，相对压缩动态储备，而输出动态范围，相对压缩动态储备，而获得低漂移的准确测量值。获得低漂移的准确测量值。双相锁定放大器原理框图双相锁定放大器原理框图同相输出分量为IV正交输出分量为QV cossIKe

11、V sinsQKeV A22QIVV 10-2-8 arctgIQVV AC放大与滤波混频频率合成移相带通低通利用频率变换将输入信号的频率变换到一个固定频率上，利用频率变换将输入信号的频率变换到一个固定频率上，然后进行带通滤波和相敏检测，以便带通滤波器和相敏然后进行带通滤波和相敏检测，以便带通滤波器和相敏检波器的最佳设计，以及避免带通滤波器的调节。检波器的最佳设计，以及避免带通滤波器的调节。1.工作原理工作原理取样门及积分器取样门及积分器单点取样积分器（单点信号单点取样积分器（单点信号平均器或平均器或Boxcar积分器）：积分器）：在每个信号周期内只在一点在每个信号周期内只在一点取样积分，经多

12、次取样积分取样积分，经多次取样积分后得到该点幅值，即后得到该点幅值，即变换取变换取样样工作原理。工作原理。取 样 积 分 器取 样 积 分 器（信号平均器）（信号平均器）定点式：测某一特定时刻定点式：测某一特定时刻的幅值的幅值多点信号平均器：多点信号平均器：在信号每在信号每个周期内对信号进行多点取个周期内对信号进行多点取样，是样，是实时取样实时取样工作原理。工作原理。扫描式：逐点扫描可恢复扫描式：逐点扫描可恢复波形波形1.定点式取样积分器定点式取样积分器 VR与与VA保持同步产生触发信保持同步产生触发信号，经延迟电路（可调，以确定号，经延迟电路（可调，以确定要取样的时刻）作要取样的时刻）作td 延迟，经过延迟，经过取样脉冲（取样脉冲（Tg）控制取样门的开）控制取样门的开断时间，经过累加平均，经断时间，经过累加平均，经n次取次取样平均后，样平均后，SNIRn2.扫描式取样积分器扫描式取样积分器l当取样脉冲对准当取样脉冲对准t1位置取样积分位置