微弱信号检测技术演示文稿

微弱信号检测技术演示文稿当前第1页\共有76页\编于星期二\7点微弱信号检测技术当前第2页\共有76页\编于星期二\7点第六章微弱信号检测技术§6.1随机信号分析主要概念回顾§6.2噪声的基本知识§6.3窄带滤波法（了解）§6.4同步累积法（了解）§6.5同步相干检测（重点内容）§6.6取样积分（重点内容）§6.7屏蔽与接地技术（自学）当前第3页\共有76页\编于星期二\7点概述微弱信号的定义有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。如输入信号的信噪比为10-2或者更小，即信号完全淹没在噪声之中。有用信号的幅度绝对值很小，如检测v、nV乃至pV量级的电压信号；检测每秒钟多少个光子的弱光信号与图象。当前第4页\共有76页\编于星期二\7点概述科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，例如：生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电天文学中的星体光谱化学反映中的物质生成过程物理学中表面物理特性光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱微机电系统（MEMS）的微位移、微力、微电流、电压等当前第5页\共有76页\编于星期二\7点概述微弱信号检测任务：提高检测系统输出信号的信噪比，检测被噪声淹没的微弱有用信号。途径：隔离噪声源，降低传感器噪声采用先进的信息提取方法（本章重点）方法：分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频率、相位等）研究被测信号的特点（频谱与相关性等）采用信息论、电子学和计算机分析等方法进行信息处理当前第6页\共有76页\编于星期二\7点微弱信号检测的进展美国吉时利(KEITHLEY)仪器公司是当前世界上微弱信号检测的先驱，水平如下物理量检测灵敏度电流1×10-17A电压1×10-12V电阻1×10-10Ω电容1×10-17F电荷1×10-17C温差1×10-6℃当前第7页\共有76页\编于星期二\7点§6.1随机信号分析回顾一、能量有限信号和功率有限信号能量有限信号功率有限信号一般非周期信号属于能量有限信号如周期信号、阶跃信号等当前第8页\共有76页\编于星期二\7点二、均值、均方值、方差均值：信号的常值分量均方值：信号的平均功率，正平方根为均方根值(有效值)方差：信号的波动分量正平方根为标准差σx三者关系：当前第9页\共有76页\编于星期二\7点三、概率密度函数定义：信号幅值落在指定区间内的概率意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线当前第10页\共有76页\编于星期二\7点随机噪声概率密度函数的特点大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布当前第11页\共有76页\编于星期二\7点四、相关函数自相关函数：互相关函数：用途：度量信号波形的相似程度， 提取信号中的周期成份信号平均功率其它性质在相关检测中具体讨论当前第12页\共有76页\编于星期二\7点五、功率谱密度特性：S(f)与R()是一对傅立叶变换对，满足

Wiener-Khintchine定理自谱密度：互谱密度：功率谱密度的物理意义Sx(f)曲线下的面积即为信号x(t)的平均功率，即Sx(f)表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称功率密度函数。当前第13页\共有76页\编于星期二\7点六、放大器及线性网络的带宽式中：G(f)——功率增益的频谱函数G0——最大功率增益

f——系统带宽

使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值当前第14页\共有76页\编于星期二\7点§6.2噪声基本知识一、干扰和噪声干扰：可以消除或减小的外部扰动。如50HZ工频干扰、电台广播、电视信号、宇宙射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件合理配置等措施，来减小和消除干扰。噪声：由于材料或器件的物理原因所产生的扰动。如导电阻内的热噪声、晶体管内的散粒噪声。由大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大多属于随机噪声。当前第15页\共有76页\编于星期二\7点二、信噪比和信噪改善比1.信噪比SNR2.信噪改善比SNIRSNR越高，测量误差越小。微弱信号检测的目的就是使SNR1或SNR1SNIR越高，测量系统检测微弱信号的能力越强当前第16页\共有76页\编于星期二\7点三、几种常见的电子噪声

噪声种类特点热噪声功率谱密度在很宽的频率范围内恒定，为白噪声散粒噪声低频噪声频率增加，功率谱减小。由于功率谱密度与频率有关，所以也叫色噪声接触噪声微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。当前第17页\共有76页\编于星期二\7点1.电阻中的热噪声(约翰逊噪声，1928年发现)温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电阻两端都会有噪声电压。原因：电阻中载流子的随机热运动引起特点：由于电阻中载流子的热运动的随机性，热噪声电压是随机的奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压的有效值：k:波尔兹曼常数1.38×10－23J/K，T:绝对温度(K)R:电阻值(Ω)，Δf:系统带宽（Hz）当前第18页\共有76页\编于星期二\7点在微弱信号检测中，需要考虑热噪声噪声功率（有效值的平方－均方值）P正比于△f，则功率谱密度为常数，所以热噪声是一种白噪声。降低措施：可以通过减小T、Δf降低热噪声电压例如：R=1kΩ,

Δf=105Hz，T=300K，则

Et=1.12μV电阻中的热噪声当前第19页\共有76页\编于星期二\7点电阻热噪声等效电路当前第20页\共有76页\编于星期二\7点2.散粒噪声由于阴极发射电子的无规律性或PN结载流子的起伏所造成的，仅存在于有源器件中。使器件中流动的电流不再平滑、连续，而是随机变化。散粒噪声的电流有效值：q:电子电荷，q=1.6×10-19CIdc:平均直流电流(A)Δf:系统带宽(Hz)噪声功率正比于△f，则功率谱密度为常数，属白噪声。可通过测量流经该器件的直流电流Idc来测量散粒噪声每赫兹带宽的电流有效值。减小散粒噪声的方法是降低平均直流电流和系统带宽当前第21页\共有76页\编于星期二\7点3、低频噪声（又称1/f噪声）原因：材料的表面特性造成，如载流子的产生和复合、表面态的密度等。广泛存在于有源和无源器件中，如：晶体管、电子管、电阻等噪声的功率谱密度1/f，低频时噪声功率密度大，故称低频噪声。K:比例系数fh、fl是系统带宽的上下限则fl～fh频段低频噪声电压的均方值为若△f不变，则工作频率越低，噪声越大，也叫色噪声。当前第22页\共有76页\编于星期二\7点4、接触噪声两种不同性质的材料相接触时，会造成其导电率起伏变化，从而产生噪声。例如：晶体管焊接处接触不良、开关、继电器的接触点处。单位带宽的噪声电流有效值为：B:

以中心频率表示的带宽；K:

与材料的几何特性有关的常数接触噪声的功率谱密度1/f，所以低频段影响大，是低频电子电路的主要噪声源。当前第23页\共有76页\编于星期二\7点四、噪声电路的计算信号的叠加设x1、x2为两个噪声信号，它们叠加时，其均方值可以表示为：式中，ρ为相关系数当ρ＝0时，完全不相关当|ρ|=1时，同一噪声源当前第24页\共有76页\编于星期二\7点四、噪声电路的计算叠加法的应用对于线性网络的噪声电路，可以应用叠加法进行多源网络噪声分析E1、E2为两个不相关的噪声源当前第25页\共有76页\编于星期二\7点§6.3窄带滤波法一、基本原理设计出发点：噪声功率谱密度比较宽，信号功率谱密度比较窄。工作原理：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来；由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信噪比能得到很大改善。降噪效果，见LabView演示－autocorr.vi。特点：滤波器带宽B越窄，信噪比提高越好缺点：带宽B与f0、Q有关，B很窄的滤波器无法实现。无法检测深埋在噪声中的信号，只适用于对噪声特性要求不高的场合当前第26页\共有76页\编于星期二\7点§6.4——同步累积法一、工作原理设计出发点：信号的重复性，噪声的随机性原理：重复n次测量，使信号同相地累积起来，而噪声确由于其随机性相互抵消，从而达到降噪目的。信噪改善比SNIR≈n（推导见课本p157）降噪效果，见LabView演示－cumulate.vi结论：n越大，信噪比的改善越明显，但测量时间也越长可根据输入信噪比的大小和对输出信噪比的要求，决定所需的测量次数n。（举例）当前第27页\共有76页\编于星期二\7点二、同步累积法应用条件信号可重复有合适的累积器能做到同步累积（同相累积）三、电路原理框图当前第28页\共有76页\编于星期二\7点四、同步积分器——同步累积器的实现适用周期信号：正弦波、方波结构正、负两个半周期分别采用两个积分器进行累积累积器转换开关S：受US(t)控制积分器输出正弦波：半周期内的平均值方波：方波幅度电路：积分电路时间常数比输入信号的周期大很多

五、应用：信噪比<0.1的微弱信号，电压信噪改善比可达40dB。当前第29页\共有76页\编于星期二\7点§6.5同步相干检测(重点)一、相关函数的重要性质相关函数的定义与计算相关函数基本性质周期信号相关函数的特点随机噪声信号的相关函数二、自相关检测三、互相关检测当前第30页\共有76页\编于星期二\7点一、相关函数的定义与计算能量有限信号的自相关函数功率有限信号的自相关函数两个功率有限信号的互相关函数两个能量有限信号的互相关函数当前第31页\共有76页\编于星期二\7点2、相关函数的基本性质=0时，R()取最大值。对实函数，R()为偶函数对复函数当前第32页\共有76页\编于星期二\7点2、周期信号相关函数特征正弦信号自相关函数见LabView演示程序autocorr.vi，设置噪声幅值为0讨论，波形的衰减现象当前第33页\共有76页\编于星期二\7点3、噪声的相关函数随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，其相关函数随τ的增加而减小，如红色曲线所示。对于白噪声，其相关性很小。相关函数函数随τ的增加而迅速减小如蓝色曲线所示。)(tRt0见LabView演示程序autocorr.vi，设置信号幅值为0当前第34页\共有76页\编于星期二\7点二、自相关检测基本原理利用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的目的基本原理是从强噪声中提取弱信号的重要手段。实现方法混有噪声的信号送入相关接收机两个通道（不延时和延时）相乘器积分器当前第35页\共有76页\编于星期二\7点自相关检测理论推导信号的自相关函数在一般情况下，噪声和信号不相关，有所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数此外，若时延足够大，则当前第36页\共有76页\编于星期二\7点例：已知正弦弦信号，混合有 随机噪声n(t),求自相关检测输出信号。解：根据自相关检测的特点，有由以前推导可知：见LabView演示程序autocorr.vi，设置信号幅值为0当前第37页\共有76页\编于星期二\7点三、互相关检测1、基本原理：若已知发送信号的重复周期或频率，就可在接收端发出一个与发送信号周期相同的“干净的”重复周期信号，称为本地信号，将它与混有噪声的输入信号进行互相关，即可除去噪声的影响，提高电路的抗干扰能力。当前第38页\共有76页\编于星期二\7点2、互相关检测实现方法输入信号与本地信号送入相关接收机的两个通道（输入信号不延时、本地信号延时）相乘器积分器当前第39页\共有76页\编于星期二\7点3、互相关检测理论推导若噪声与信号不相关，则所以互相关接收机只有信号与本地信号的相关输出， 去掉了噪声项，因此提高了输出的信噪比当前第40页\共有76页\编于星期二\7点4、互相关检测应用

－锁定放大器利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪，对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。工作原理当前第41页\共有76页\编于星期二\7点锁定放大器理论推导

则锁定放大器的输出为(参考信号不进行时移－锁定)其中为系统输出增益其中设讨论：输出信号特点见LabView演示程序crosscorr.vi，设置信号幅值为0当前第42页\共有76页\编于星期二\7点锁定放大器的特点把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。交流输入，直流输出：输出电压正比于输入信号幅度和被测信号与参考信号相位差的余弦。极高的放大倍数：若有前置放大器，总增益可达1011。能检测极微弱的信号。灵敏度：满刻度灵敏度v、nv、pv信噪改善比：可达104噪声大于信号数千倍仍能正常检测，具有极强的抗干扰能力。当前第43页\共有76页\编于星期二\7点锁定放大器的构造基本构成：信号通道、参考通道、相关器当前第44页\共有76页\编于星期二\7点锁定放大器各部分功能说明信号通道：将弱信号放大到足以推动相关器工作前置放大器：要求低噪声、高增益，放大倍数一般为100～1000倍。有源滤波与衰减：提高信号进入相关器前的信噪比；抑制和虑除部分干扰及噪声，扩大仪器动态范围。当前第45页\共有76页\编于星期二\7点锁定放大器各部分功能说明参考信号通道：将输入的正弦波、方波、三角波、脉冲波等周期信号转化成与之同频的对称方波。过零触发电路：将各种波形的输入信号变换成同步脉冲。倍频电路：将触发器输出的脉冲信号倍频。移相电路：改变参考通道输出方波的相位，要求在0～360度范围内可调当前第46页\共有76页\编于星期二\7点锁定放大器各部分功能说明相关器：完成被测信号与参考信号的互相关运算。乘法器：一般由相敏检波器组成积分器：由运放构成当前第47页\共有76页\编于星期二\7点作业已知：混有噪声n(t)的脉冲信号f(t)，f(t)=s(t)+n(t)，其中求：用Matlab编程，计算自相关检测 输出信号，并作图。采样点数2048，采频自定。n(t)为幅值在[-1,1]区间的白噪声。发Word版作业，含源程序代码当前第48页\共有76页\编于星期二\7点t=[0:0.02:2047*0.02];st=(square(2*pi*10*(t+0.01),20)+1)/2;nt=2*rand(1,2048)-1;ft=st+nt;dt=0.02;x=ft;[a,b]=xcorr(x,'biased');subplot(211);plot(t,ft);gridonsubplot(212);plot(b*dt,a);gridon已知：混有噪声n(t)的脉冲信号f(t)，f(t)=s(t)+n(t)，其中n(t)为幅值在[-1,1]区间的白噪声。计算自相关检测输出信号，并作图。采样点数2048，采频自定。当前第49页\共有76页\编于星期二\7点上节课内容回顾噪声分为白噪声和低频噪声两类。噪声一般是随机信号，噪声样本之间不具有相关性。有用信号是可以重复的，信号样本具有相关性。通过窄带滤波或相关检测（主要是互相关检测的锁定放大器）可以提高信噪比，从被噪声淹没的测试信号中提取出有用信号。当前第50页\共有76页\编于星期二\7点窄带滤波法和锁定放大器

的特点和不足窄带滤波法带宽太窄：将噪声滤去的同时也造成信号的失真。带宽太宽：带宽内的强干扰信号无法去除，噪声抑制作用不明显。锁定放大器只适用于正弦波、方波等周期信号输出为直流信号，无法得到被测信号的波形取样积分器可以克服上述缺点，将深埋在噪声中的信号波形恢复出来。当前第51页\共有76页\编于星期二\7点第六章微弱信号检测技术§6.1随机信号分析主要概念回顾§6.2噪声的基本知识§6.3窄带滤波法（了解）§6.4同步累积法（了解）§6.5同步相干检测（重点内容）§6.6取样积分（重点内容）§6.7屏蔽与接地技术（自学）当前第52页\共有76页\编于星期二\7点§6.6取样积分方法利用取样积分器（也称信号平均器），将待测的重复信号逐点多次取样平均并进行同步累积，从而达到从噪声中恢复信号波形的仪器设备。应用：检测某一复杂的宽带周期信号的波形分类：单点信号平均器：对信号每周取样并积分一次，经过多次取样积分得到该信号的波形或特定点的幅值。采用变换取样的工作方式。又叫单点取样积分器或Boxcar积分器，多点信号平均器：在信号的每个周期内，对信号进行多点取样和平均，经过多次取样和平均获得整个被测信号的波形，它采用实时取样的工作方式。类似与同步累积法。当前第53页\共有76页\编于星期二\7点§6.6取样积分一、实时取样与变换取样二、单点信号平均器（重点）1、工作原理2、实现电路及工作方式（定点式和扫描式）3、应用举例三、多点信号平均器当前第54页\共有76页\编于星期二\7点一、实时取样和变换取样1、实时取样在取样信号的一次有效持续时间内，不失真地取出复现原信号所必需地全部样品。取样脉冲序列p(t)从连续信号f(t)中抽取一系列的离散样值，得到取样信号：取样频率大于或等于信号最高频率的2倍当前第55页\共有76页\编于星期二\7点2、变换取样在被测信号Ui的每个信号周期取出一个样品点。取样间隔为T＋t。将取出的样品重新组成一个新信号Uo，Uo和Ui相似，但在时间刻度上比原来信号增长了6倍。变换取样后信号复现时间为：n(T＋t),n=0,1,2,…样本点序号当前第56页\共有76页\编于星期二\7点2、变换取样：若每Nf个周期取一个样本点，则变换取样后的复现时间：Nf是被取样信号与取样脉冲频率之比，称为分频比。样本组成的复现信号与原信号相比，时间刻度发生了变换，复现信号周期加长：一个或多个信号周期上，只能取一个样本，所以要取出完整的波形，必须对重复出现的信号进行多次取样。为使信号保持原来的形状，样品的取出方法还必须均匀散布在整个信号周期内的各个部位，即需要取样点在整个周期内移动（靠步进值t>0完成）当前第57页\共有76页\编于星期二\7点变换取样特点：变换取样过程是一个同步累积的过程，可提高信噪比。仅在取样的局部装置要求宽频带，而在样本处理部分则是低频信号，大大降低了对整个系统的频率特性要求。变换取样的应用范围：可重复信号检测：由于要在多个周期内采样，所以不适合非重复性的单次信号。高频信号检测：若用于低频信号，则累积时间很长。当前第58页\共有76页\编于星期二\7点二、单点取样积分器1、工作原理如果信号是重复的，产生时刻是已知的，就可采样取样积分器来恢复、记录深埋在噪声中的微弱信号下面是一个简单取样积分器的基本原理框图：当前第59页\共有76页\编于星期二\7点1、工作原理组成：信号通道：宽带低噪声放大器参考通道：提供宽度为Tg（门宽）与信号同步的步进取样脉冲门积分器：包括用作乘法器的取样门开关K和对乘法器的结果进行积分和平均的积分器。工作过程在取样脉冲期间，K打开，信号被引入积分器对电容充电，电容电压上升。其它时间，K断开，信号保持在电容器上。输出波形阶梯上升。对某固定点（变换取样步进值t为零——定点工作方式），经过多次取样和积分，输出最终趋近于信号在该点的稳定值。当前第60页\共有76页\编于星期二\7点1、工作原理与锁定放大器的对比：二者都采用同步相干检测原理，具有很强的抑制噪声的能力。参考信号仅在取样门脉冲持续时间内与被测信号相关，每周期的相乘时间很短，而锁定放大器则是在整个测试时间内进行相关。取样积分器被测信号与参考信号的相移可以缓慢变化，而锁相放大器相移固定。当前第61页\共有76页\编于星期二\7点2、实现电路及工作方式取样门由场效应管模拟开关实现；电阻R、电容C和放大器A2构成积分器；放大器A1、A2、A3组成差值取样环路门宽控制决定取样脉冲的宽度Tg比较与延时器通过比较时基电压和扫描电压，产生定点采样脉冲（t＝0）或延时采样脉冲（t>0）。工作方式：定点式和扫描式（下面具体介绍）当前第62页\共有76页\编于星期二\7点(1)定点工作方式被测信号(图a)通过触发整形，产生周期为T的触发脉冲，图b触发脉冲通过时基发生器产生周期为Tb的锯齿波时基电压，图c实线。Tb＝T通过比较时基电压和定点延迟电压(图c虚线)，比较器输出方波，图d图d方波上升沿触发产生取样脉冲(图e)，其周期为T，宽度Tg由门宽控制器决定。取样位置Td由延时电压而定，以获取感兴趣的信号点的幅值。当前第63页\共有76页\编于星期二\7点(1)定点工作方式门脉冲到来时，取样门接通，对输入信号的某一瞬时值进行取样，并通过积分器进行累积平均。门脉冲结束，取样门关闭，积分电容C上的电压保持到下一个门脉冲再次取样。经过多次累积，直到输出信号等于被测信号某一瞬时值为止。和相关检测类似，利用了信号的相关性和噪声的随机性。与锁定放大器不同，定点工作方式下的取样积分器测量重复信号任意一点的振幅，而不是基波振幅。当前第64页\共有76页\编于星期二\7点取样积分器的信号平均方式信号平均方式按照硬件电路的不同可分为：线性平均：m次信号值线性累加，再平均指数平均：m次信号值按指数规律累加前面原理图中为指数规律平均，为了简化，我们将指数平均近似为线性平均来讨论信噪改善比。当前第65页\共有76页\编于星期二\7点定点取样积分的输出信号（线性平均方式）设周期为T的信号和噪声组成的混合信号为：若以Tk为起点，每个T秒对信号的一个特定点取样一次，则第i次样品值为：经过m次取样，信号按照线性规律累加，噪声按照均方和累加：为每次取样噪声有效值的均值当前第66页\共有76页\编于星期二\7点经过m次取样后，信号的信噪比为：信噪改善比为：累积次数m越大，信号改善比提高定点取样积分信噪改善比（线性平均方式）当前第67页\共有76页\编于星期二\7点(2)扫描工作方式图a、b、c含义与定点工作方式相同图d中慢扫描电压从0到时基峰值缓慢变化图e比较器输出矩形脉冲宽度随扫描电压增加而增大以图e矩形脉冲下降沿触发，生成宽度为Tg，周期为T+t的取样脉冲，图f当前第68页\共有76页\编于星期二\7点扫描方式主要参数：当Tg=Δt，如果在一个周期内取样，表示每隔Δt取样一次，取样时间为Tg

=Δt，取样脉冲一个挨着一个，取样门全通。当Tg=nsΔt，也表示每隔Δt取样一次，但取样时间为Tg

=nsΔt，如果仍在一个周期内表示取样，则取样脉冲互相重叠，相当于每个取样点在整个扫描过程中共取样ns次采样脉冲门宽Tg、脉冲步进值Δt与信噪改善比当前第69页\共有76页\编于星期二\7点扫描方式主要参数：目前仪器扫描时间一般为0.01s～105s，扫描电压变化缓慢，则Δt非常小，所以ns