第九章：微弱信号检测

1、作业题：一热探测器的光敏面积为作业题：一热探测器的光敏面积为1mm2，工作温度为，工作温度为300K，工作带宽，工作带宽 f=10Hz，若该探测器的吸收率为，若该探测器的吸收率为1，求，求由于温度起伏所限制的最小可探测功率由于温度起伏所限制的最小可探测功率Pmin.材料讲解要求：材料讲解要求：简要讲解器件的基本原理简要讲解器件的基本原理给出对应参数的数学表达形式给出对应参数的数学表达形式重点介绍目前器件性能参数的改变或进展。重点介绍目前器件性能参数的改变或进展。助教评分，拉开档次，对于不认真准备材料的要坚决扣分助教评分，拉开档次，对于不认真准备材料的要坚决扣分评分原则：评分原则：95分以上：在

2、已有材料的基础上，能补充部分材料、准备充分，分以上：在已有材料的基础上，能补充部分材料、准备充分， 讲解清晰。（讲解清晰。（15%）85-95分：能充分理解材料的内容、讲解清晰。（分：能充分理解材料的内容、讲解清晰。（65%）85分以下：认真准备材料（分以下：认真准备材料（20%）第九章：微弱信号检测技术第九章：微弱信号检测技术 一、引言一、引言 很多领域存在微弱信号检测问题。很多领域存在微弱信号检测问题。二、解决微弱信号检测的方法二、解决微弱信号检测的方法 1 1、降低系统的噪声：使被测信号功率、降低系统的噪声：使被测信号功率P PS S大于噪声功率大于噪声功率P PN N，以达，以达 到信

3、噪比到信噪比S SN1N1； 2 2、采用相关接收技术：可以保证在、采用相关接收技术：可以保证在P PS SP1，且积分时间，且积分时间tR0C0，得到得到cos2 cosexp 12)0(100001000RVRCRtRVRnVAAcos2100RVRVAoLL V Vo o为直流电压，其大小正比于输入信号幅值为直流电压，其大小正比于输入信号幅值V VA0A0和被测信号与和被测信号与 参考信号之间相位差的余弦参考信号之间相位差的余弦(cos(cos ) )。LL由于相关检测是利用了长时间对信号的积累原理，所以最终输由于相关检测是利用了长时间对信号的积累原理，所以最终输 出的信号不再是周期变化

4、的信号，而是被出的信号不再是周期变化的信号，而是被PSDPSD平滑了的直流信平滑了的直流信 号。号。-R0/R1近似为积分近似为积分器的直流放大倍数器的直流放大倍数cos2100RVRVAo9.3.2 锁定放大器主要参数锁定放大器主要参数一、等效噪声带宽一、等效噪声带宽fN 反映系统对噪声的选择性，锁定放大器的反映系统对噪声的选择性，锁定放大器的 fN表达为表达为 若取若取R0C0=300s，则，则 fN=8.310-4Hz。二、等效信号带二、等效信号带宽宽 fs表示系统对信号的选择性，指输出信号下降至最大值的表示系统对信号的选择性，指输出信号下降至最大值的0.707时时对应的频率。由于噪声频

5、谱与信号频谱具有完全不同的特征，对应的频率。由于噪声频谱与信号频谱具有完全不同的特征，所以所以fN与与fs具有不同意义。信号带宽可以直接写出具有不同意义。信号带宽可以直接写出 fs为等效带通滤波器的带宽，若仍取为等效带通滤波器的带宽，若仍取R0C0=300s，则，则 fs=5.310-4。 0041CRfN0021CRfs当已知信号频率为当已知信号频率为fs，所用的带通滤波器等效带宽为，所用的带通滤波器等效带宽为 fs，则相应，则相应的带通放大器品质因数的带通放大器品质因数Q为为ssffQLL由于由于fN与与fs有一定关系，若有一定关系，若fs越窄，则越窄，则fN越窄，对噪声越窄，对噪声 的抑

6、制也越好。所以，品质因数的抑制也越好。所以，品质因数Q也表征了带通放大器对噪声也表征了带通放大器对噪声 的抑制能力。的抑制能力。 LL当当f fs s=100kHz=100kHz， f fs s =5.3 =5.31010-4-4Hz,Hz,相应的相应的 f fN N =8.3 =8.31010-4-4HzHz， 品质因数品质因数Q=1.88Q=1.8810108 8。 LL相关器相当于一个相关器相当于一个“跟踪跟踪”滤波器，由于被测信号与参考信号严滤波器，由于被测信号与参考信号严 格同步，就能保证在很窄的格同步，就能保证在很窄的 f fs s条件下总能输出信号并抑制噪声条件下总能输出信号并抑

7、制噪声。 l三、三、 信噪比改善信噪比改善(SNIR) 通常用信噪比改善通常用信噪比改善(SNIR)参数来描述输出信噪比的改善参数来描述输出信噪比的改善： ioNSNSSNIR)/()/(信噪比改善情况与锁定放大器抑制噪声能力有关，即与噪声带宽信噪比改善情况与锁定放大器抑制噪声能力有关，即与噪声带宽被压缩的程度有关，故上式又可写作：被压缩的程度有关，故上式又可写作：NoNiffSNIR式中式中 fNi和和 fNo分别为锁定放大器输入和输出等效噪声带宽。分别为锁定放大器输入和输出等效噪声带宽。例题例题4、若设、若设 fNi =200kHz， fNo =8.310-4Hz，求，求SNIR。 SNI

8、R =16104。LL锁定放大器可以使信噪比改善一万多倍，可见锁定放大器具有锁定放大器可以使信噪比改善一万多倍，可见锁定放大器具有 很强的抑制噪声的能力。很强的抑制噪声的能力。LL锁定放大器输出信号不是输入信号简单地放大，而是把输入的锁定放大器输出信号不是输入信号简单地放大，而是把输入的 交流信号变为直流信号，换言之，它不能恢复原有信号的波形，交流信号变为直流信号，换言之，它不能恢复原有信号的波形， 使用时要注意这一特点。使用时要注意这一特点。9.4 9.4 取样积分器取样积分器 取样积分器取样积分器: :又称又称BoxcarBoxcar，也是一种微弱信号检测仪器。，也是一种微弱信号检测仪器。

9、工作原理：工作原理：利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号 的一部分取样一次，然后经过积分器取出平均值，于是各个周的一部分取样一次，然后经过积分器取出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。信号提取信号提取( (取样取样) )是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。形。 应用范围：应用范围：取样积分器所能检测的信号是重

10、复的（不一定是周取样积分器所能检测的信号是重复的（不一定是周期性连续信号），波形是不变的，产生的时刻是已知的。期性连续信号），波形是不变的，产生的时刻是已知的。9.4.1 取样的物理过程取样的物理过程取样取样：利用取样脉冲序列从连续信号中：利用取样脉冲序列从连续信号中“抽取抽取”一系列的离散值；一系列的离散值；取样脉冲取样脉冲P(t)：冲激函数：取出的样品是线性的冲激函数：取出的样品是线性的理想取样；理想取样；取样脉冲宽度为取样脉冲宽度为：取样为宽度为：取样为宽度为的信号成分的信号成分有限脉宽取样；有限脉宽取样；9.4.2 取样积分器的工作原理取样积分器的工作原理 取样积分器的工作方式：取样积

11、分器的工作方式：简单的取样门结构简单的取样门结构扫描式定点式单点取样方式对信号每周取样并积分一次，经过对信号每周取样并积分一次，经过多次取样积分得到该点的信号幅值。多次取样积分得到该点的信号幅值。用于恢复和记录被测信号的波形。用于恢复和记录被测信号的波形。检测信号波形上的某一特定时检测信号波形上的某一特定时刻的幅度刻的幅度-类似于锁定放大器类似于锁定放大器一、取样积分器取样过程一、取样积分器取样过程图中图中A、B、C各点为取样点各点为取样点 ；取样过程取样过程：它将一个高重复频率的信号，通过逐点取样，将时：它将一个高重复频率的信号，通过逐点取样，将时间变化的模拟量转变成对时间变化的离散量的集合

12、，这种集合间变化的模拟量转变成对时间变化的离散量的集合，这种集合即为信号的低频复制，从而做到该低频信号的幅值、相位和波即为信号的低频复制，从而做到该低频信号的幅值、相位和波形的测量。形的测量。 对于某一取样点的值，若信号值为对于某一取样点的值，若信号值为Si，噪声值为，噪声值为Ni，则其信噪，则其信噪比比(S/N)i=Si/Ni。经过经过ns次取样积累后（线性积累），次取样积累后（线性积累），So= nsSi，No=信噪比为：信噪比为：即经过即经过ns次取样后信噪比改善次取样后信噪比改善: isNnisiisisisoooNSnNSnNnSnNSNS)/()/(sionNSNSSNIR)/()

13、/(上式为平均效果的上式为平均效果的 法则法则(N=ns)。显然，取样点数。显然，取样点数(ns)越多，信越多，信号恢复越精确，但需要积累的时间也越长。号恢复越精确，但需要积累的时间也越长。N例题例题1，若被测波形用，若被测波形用10个点描述，每点积累个点描述，每点积累100次，信号重复频次，信号重复频率率fs=1kHz；求信噪比改善及所需的测量时间。；求信噪比改善及所需的测量时间。则信噪比改善：则信噪比改善：SNIR= =10，测量的时间为：测量的时间为：10(点点)100(次次) =1s。同理，若每点积累同理，若每点积累10000次，则次，则SNIR=100，记录时间将增加为，记录时间将增

14、加为100s。由此可见，微弱信号检测都是以牺牲时间为代价的。由此可见，微弱信号检测都是以牺牲时间为代价的。sf/1100RC：指数积累信号振幅较大时采用；二、二、取样积分器的积分过程取样积分器的积分过程 运算放大器：线性积累充电时间为充电时间为RC时，时，Vout=0.632Vin；对于门积分电路，有效的充电时间为对于门积分电路，有效的充电时间为Tg，nTg=RC，OCT=nTs叫观察时间常数。叫观察时间常数。)1 (/ RCtinouteVV不会因积分时间过长而使输出过载；不会因积分时间过长而使输出过载；积分时间积分时间2OCT，输出电压增量变小，平均效果降低，因此过，输出电压增量变小，平均效果降低，因此过长时长时 间的测量变得没有实际意义。间的测量变得没有实际意义。三、定点式取样积分器三、定点式取样积分器 被测信号被测信号取样脉冲取样脉冲取样点相对信号起始时刻是固定延时的，并且门宽不变，因此取样点相对信号起始时刻是固定延时的，并且门宽不变，因此 保证所测量的是离原点为固定延时的重复信号的某点瞬时平保证所测量的是离原点为固定延时的重复信号的某点瞬时平 均值。输出电压与锁定放大器相似；均值。输