微弱信号检测

1空间物体检测光谱测量生物荧光检测21引言微弱信号检测是一门新兴的技术学科它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。在检测系统、图象传榆和通信设备中出现噪声时，仪器的精度、稳定性及重复性就明显降低,由于噪声电报误码率增高，使通信无法正常进行，雷达无法跟踪目标，在电视荧光屏上呈现一片“雪花”，图象模糊不清。3噪声与干扰通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。锁定放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。4噪声与干扰宽带的或持续的无用信号瞬时的或窄带的无用信号市电50Hz或100Hz（整流等）；电台；开关通/断；高能量的脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；雷电等5对有用信号来讲，干扰和噪声是讨嫌的扰动。为了区别，常把可以减少或消除的外部扰动称为干扰，而把由于材料或器件的物理原因所产生的扰动称为噪声。来自检测系统外部干扰，如市电50或100HZ交流干扰，电台的调幅广播信号或电源的开关火花干扰；脉冲激光、雷达发射或电路中高能窄脉冲引起的宽带干扰；元件或部件的机械振动产生额噪效应等。这些干扰绝大多数是“人为的”，采取适当的屏蔽、滤波或元件合理配置等措施干扰是可以减小和消除的。6材料、器件或部件的物理原因产生的噪声。如处于绝对零度以上的任何导电体均具有的热噪声；晶体管、电子管或光电器件中，因电子随机作用而产生的散粒噪声等，均属于这类噪声。这类噪声是由大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位部是随机的，脉冲的形状(时间函数)也不一定相同。但任一噪声脉冲的能量只占总噪声能量的极微小部分。这些脉冲的叠加，即产生所谓的随机噪声。7在检测系统中，可以处理的最高信号电平受电路特性的限制，但最小可检测电平取决于噪声。也就是说，噪声限制了传感器的分辨率和系统的动态范围。当一个系统的信号扰动很大，在无法区分是干扰还是噪声时，可先加以屏蔽。频率高于1000Hz或阻扰大于1000欧时，一般采用金属导体屏蔽，如铝或铜等。对于低频扰动或低阻抗的情况，可采用磁屏蔽，如铁镍导磁合金等。此外，也可先给前置放大器单独供电如有效果，说明噪声主要来自外部干扰，则可进一步采取屏蔽措施。如果还不能减少扰动，就应认为噪声主要是系统内部元部件的随机的基本噪声。8实验室中的典型噪声环境50Hz电源布线，仪器内部功率单元等50Hz的谐波可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛刺电气触点的通/断触点的通/断总伴随着电火花或电弧9实验室中的典型噪声环境高频信号开关电源大功率高频振荡器1/f噪声10-8-6-4-20+2+4+6+8-8-6-4-2+2+4+6+80110+2+3+4+5+6+7频率单位带宽的相对功率实验室环境的噪声与干扰分布市电50Hz150Hz100Hz200Hz典型宽带干扰范围调幅广播调频广播11检测系统的屏蔽与接地噪声的引入:电容性耦合：电场引起，噪声源内阻高电感性耦合：磁场引起，噪声源内阻低12噪声的屏蔽电容性耦合：降低电路的阻抗，在噪声源与信号线之间建立导电屏障，屏障接地。例屏蔽线，铜罩壳等。13噪声的屏蔽电感性耦合减少回路面积，用铁磁性物质包围噪声源。例如，变压器的外壳，双绞线。14接地接大地：消除电位差；消静电。接信号地：信号的公共点，提供信号回路，减少阻抗。1MHz低频以下可采用一点接地，10MHz以上高频可采用大面积多点接地。还要注意区分模拟地和数字地。15电阻热噪声检测系统的内部噪声主要由电阻和各种器件产生的。噪声是自由电子热运动所产生，故通常称它为热噪声。热噪声电流在电阻内流动时，电阻两端就产生噪声电压。因此在必须考虑热噪声的情况下，任何一个电阻器在电路中的作用，等效于一个无噪声电阻和一个热噪声电压串联16电阻的过剩噪声当电阻中流过直流电流时，往往产生过剩噪声。过剩噪声是指在电阻的基本热噪声之外多余出来的噪声。由于它是电流通过电阻时产生的噪声，所以又称电流噪声。在电流流过不连续的导体，如电阻器时即产生这种噪声。合成碳质电阻是碳粒同粘合剂的混合物压制而成的.由于电导率是不均匀的.直流电流不是均匀地流过电阻器,在碳粒之间有一些象微弧跳变的东西，因而产生电流尖峰或脉冲。这些电流尖峰或脉冲即是过剩噪声。电阻器越均匀，过剩噪声越小。合成碳质电阻器噪声最大，金属膜和线绕电阻器的噪声较小.17典型电阻器的总噪声18各种电阻的噪声指数19半导体二极管的散粒噪声半导体二极管中的散粒噪声是在接通电压后，电流通过PN结产生的。在不同时刻通以PN结位垒的载流子的数目是随机的,时多时少，因而造成电流的起伏。这种由于位垒中载流子的散粒性所产生的噪声，称为散较噪声。20半导体三极管的内部噪声放大器的噪声是检测系统的主要成份之一，也是影响测量仪器灵敏度的重要因素。(1)电阻热噪声.半导体三极管内的损耗电阻产生电阻热噪声。具体地讲它是由基极电阻和各电极接线的损耗电阻产生的。(2)散粒噪声.与PN结二极管一样，半导体三报管的两个PN结的电流也产生散粒噪声电流。21(3)分配噪声(高频噪声)半导体三极管中载流子从发射结注入基区后，大部分流向集电极，成为集电极电流，小部分在基区与异性的载流子复合，成为基极电流。载流子在基极中的复合作用是随机的,时多时少,复合较少时流向集电极的载流子就多，因而集电极电流大；反之，集电极电流小，基极电流大。从而集电极电流中包含着由于的集电极电流和基极电流分配比例发生变化而引起的输出电流起伏，这种起伏分量而形成的噪声称分配噪声。22(4)闪耀噪声(1／f噪声)闪耀噪声的功率谱密度与频率成反比，它是低频噪声。实验表明，它的大小与半导体材料及其表面漏电流有关。23(5)尖峰噪声。一般认为产生原因是器件中PN结的缺陷所造成的。在信息检测中尖蜂噪声影响校严重。在扬声器中会发出象炒玉米的爆炸声，故又叫爆裂噪声。24低噪声设计中，在选译电路元、器件时应尽且减少或避免噪声的引入。(一)电容器的选择在低噪声设计中常用云母和瓷介电容器。大容量电容器中，铝壳的电解电容器漏电较大，钽电解电容器漏电小，所以钽电解电容器适合在低噪声电路中使用。2526在微弱信号检测技术中，需要处理的主要是基本噪声且绝大多数是随机噪声。随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，在任何时刻它的幅度、波形及相位那是随机的。但每一种噪声还是服从于一定的统计分布规律，因此又是可统计的。例如，只要产生噪声过程的条件不变，噪声功率或给定时间区间内的能量就不变，它在时间域内的幅度平均值是零。大多数噪声瞬时幅度的概率分布是正态的，即符合高斯分布规律27噪声电压不仅某一瞬间取值是随机的，且噪声电压随时间变化也是随机的、故称为随机过程。但系统处于稳态时，不同时刻噪声的概率分布规律是一样的，因此又称为平稳随机过程。28平稳随机过程的另一个重要特征量是它的相关函数。它表示随机过程二个不同时间上的相关性，其定义2930噪声的相关函数31测量技术的分类非相关测量普通的电压表，示波器，频率计等使用方便，用途广泛相关测量锁定放大器，同步积分器，光子计数器,数字滤波器等抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高32取样积分器取样积分器(Boxcar)，是一种微弱信号检测系统。它在原理上是很古老的，它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，然后经过积分器算出平均值，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。因为信号提取(取样)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形。33一、取样积分器的工作原理1、取样门及积分器取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为Vsi，经过积分器M次积累后所得到的输出电压为34噪声电压是随机量Vni，经过m次积累以后，相加所得值Vn仍为随机变量35通过累积以后获得的信噪比为通过累积以后信号噪声幅值比(SNIR)为36一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制RC积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果(输出)保持到下一次取样37取样门及积分器3839取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；扫描式取样积分器则可以恢复和记录被测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。402．定点式取样积分器41定点式取样是对被噪声淹没的信号在固定点取样、平均，所以经m次取样平均后，其幅值信噪比改善为定点式取样积分器仅能在噪声中提取信号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，不同的定点可通过手控延时电路来实现。423．扫描式取样积分器扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下作同步积累这两个过程。扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。43444546定点式取样积分器按照定点取样m次的法则，不难理解幅值信噪比改善为的结论。对扫描式取样积分器由于可变时延的取样脉冲在取样过程中取样点是逐渐变化的，所以它的取样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。信噪比改善47由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而取样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以至在输入的被测信号波形上每一“点”依次可以掠过多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样“点”进行多次积累平均。48举例举例用取样法组成的测光系统使用双通道取样积分器的激光分析495051具有基线取样的取样积分器52双通道取样积分系统53锁相放大器锁相放大器又称锁定放大器．它也是一种微弱信号的检测仪器。它起到了一个极窄的带通滤波器的作用，而不是普通滤波器。它的原理也是基于信号和噪声在相关特性方面的差别。54锁定放大器的工作原理1962年第一台仪器问世。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个非常重要的品种。信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。55两个随机过程的相关性对两个信号，定义相关函数互相关Rxy函数2/2/)()()(1TTTxydttytxRTLim56两个随机过程的相关性互相关Ryx函数：2/2/)()()(1TTTyxdttxtyRTLim57随机过程的相关性自相关函数：2/2/)()()(1TTTdttxtxRTLim白噪声，自相关函数=058相关检测积分器乘法器延迟)()()(tntStx)()()(tntStxRss(τ)参考通道信号通道59相关检测设有信号S(t)，通过如上图所示的功能器件，则有：dttntStntSTR)]()([)]()([1)()()(nnSSRR如果参考信号是“干净”的，则只剩下第一项。60相关检测的矢量解释参考信号：可看成是基矢(正弦波)或基矢的线性组合（非正弦波，如方波）检测信号：可看成是由多个正弦信号的线性组合旋转坐标系，ωR检测信号绕参考信号作相对转动61相关检测的矢量解释检测结果(对基矢投影)：被检信号与参考信号相对稳定不动；有稳定输出--直流被检信号与参考信号有相对运动；有不稳定输出--交流通过阻容电路（积分器）可滤除交流，取出直流62典型锁相放大器原理63锁定（锁相）放大器（lock-inamplifier）就是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。锁定放大器可在比被测光信号强100dB的外来干扰中检测出目的信号。从锁定放大器问世以来，由于其在微弱信号检测方面的优越