微弱信号检测.pptx

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1、14.3.0概述第1页/共107页2一.微弱信号检测定义 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生噪声“污染”；但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特点，借助一些特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离，将信号从噪声中提取出来。第2页/共107页3微弱信号检测定义：利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的规律找到抑制的方法；研究被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声淹没的弱

2、信号。微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合领域，可划归“低噪声电子学”。第3页/共107页4二.微弱信号检测的途径根据不同信号的特点，微弱信号检测的途径一般有三条：l一是降低探测器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；l二是研制适合弱检原理并能满足特殊需要的器件，例如，超导红外探测器；l三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号。这三者缺一不可。第4页/共107页51时域相关与频域的窄带化技术利用时域中周期信号的相关性，而噪声的随机、不相关性（或弱相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背景下提取周期信号的“相关检测”。这相当于在频率中窄带化滤除干扰和噪声。例如锁定

3、放大器。2平均积累处理对于一些宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的取样积分器可获得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波形，每周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则信噪比改善。因为“信号电压幅值为线性迭加”（有规律的周期信号）而“噪声功率为平方相加”（无规律的随机信号）。三.各种弱信号检测技术第5页/共107页63离散量的统计计数技术用PMT（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完成）实现光子计算。4单次信息的并行检测技术对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期信号的检测，可采用并行检测技术。实现并行检测需要一个探测

4、阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路传输和多道技术。典型例子：光学多通道分析器（OMAOpticalMultichannelAnalyzer）。第6页/共107页75自适应噪声抵消法（双路消噪法）如输入信号中混有干扰或噪声时，可以另外找到一个通道，它含有与信号通道中同样的干扰和噪声，然后两通道相减而将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合在信号频带范围内存在强干扰的情况下抑制干扰。低噪声放大器窄带通滤波器+低噪声放大器带阻滤波器(f0)比较器计数正弦波加噪声(f0)噪声双路消噪原理框图只能用来检测微弱的正弦波信号是否存在，并不能复现波

5、形。第7页/共107页8可供选用的弱检仪器，目前有如下几种：低噪声前放；各种锁定放大器（L/A）；各种取样积分器（Boxcar）；多点信号平均器；光子计数器；光多通道分析仪（OMA）四.常用弱检仪器第8页/共107页94.3.1信噪比改善（SNIR）第9页/共107页10定义：设系统的功率增益为A2（f），且f=f 0时A2（f）取得最大值A2（f0），那么，系统的等效噪声带宽为 一、有关带宽的一些定义 是矩形面积是矩形面积1.等效噪声带宽 第10页/共107页11定义：设放大器的电压放大倍数为A（f），当f=f 0时A（f）取得最大值A（f0）。当f=fH时，A（fH）=0.7A（f0）；当

6、f=fL时，A（fL）=0.7A（f0）；那么，放大器的通频带为2.放大器的通频带 0.7BW=fHfL（常称为（常称为3dB3dB带宽，或半带宽，或半功率之间的频率间隔）功率之间的频率间隔）第11页/共107页12设输入端的噪声功率谱密度为Si（f），那么，输出端的噪声功率谱密度S0（f）就是 3.噪声通过放大器的情况 因此，若作用于输入端的是均匀因此，若作用于输入端的是均匀功率谱密度为功率谱密度为S Si i（f f）的白噪声通）的白噪声通过如图（过如图（a a）所示的功率传输系数）所示的功率传输系数为为A A2 2（f f）的线性网络后，输出端）的线性网络后，输出端的噪声功率谱密度就不再

7、是均匀的噪声功率谱密度就不再是均匀的了，如图（的了，如图（b b）所示。即是说，）所示。即是说，白噪声通过有频率选择性的线性白噪声通过有频率选择性的线性放大器（或线性网络）后，输出放大器（或线性网络）后，输出的噪声就不是白噪声了。的噪声就不是白噪声了。第12页/共107页13根据噪声功率谱的含义，那么放大器（或线性网络）输出端的噪声电压均方值为：如果输入端是热噪声，即如果输入端是热噪声，即则 通常已知对白噪声，可方便计算输出端噪声电压的均方值。第13页/共107页14对于同一个系统来说，可分别根据定义求出其等效噪声带宽和3dB带宽，这两者之间是存在着一定的关系的，对于不同的系统，关系不一样。4

8、.等效噪声带宽与系统的3dB带宽的关系例：RC低通滤波网络+-RCviv0RC低通网络随着级数的增加，fn和f的比值越来越接近于1。时间常数相同的两级RC网络第14页/共107页15信噪比改善（SNIRSignal Noise Improvement Ratio）是衡量弱检仪器的一项重要性能指标。信噪比改善的定义为二、信噪比改善第15页/共107页16从数学表达式看，SNIR似乎是噪声系数F的倒数，但实质上两者是有差别的:噪声系数是对窄带噪声而言的，并且得到结论F1。这个结论的产生是由于假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的噪声带宽，仅适用于不采取带宽限制的信号源加前置放大器的系统；对整个信

9、号处理系统而言，实际上输入噪声的带宽要大于整个信号处理系统的带宽，因而噪声系数F便有可能要小于1，不适宜描述整个系统，因此而给出信噪比改善的概念。第16页/共107页17Eni是等效输入宽带白噪声，其功率谱密度为常数，噪声带宽为fin下面导出白噪声情况下SNIR的表示式：信号处理系统VsiEniVsoEso那么输出噪声电压均方值为那么输出噪声电压均方值为 为系统的电压增益。为系统的电压增益。得：得：第17页/共107页18放大系统的信噪比改善：等于输入噪声的带宽fin与系统的等效噪声带宽fn之比。因此，减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善。是系统的功率增益，我们可以取中频区最大值，即所以

10、：即系统的等效噪声带宽即系统的等效噪声带宽 故可得：故可得：和系统的3dB带宽相等吗？第18页/共107页19由此可见，那么只要检测放大系统的等效噪声带宽做得很小，使fnR R0 0C C0 0时，可得到：当n=0n=0时，即为基波输出，振幅为：2n+12n+12n+12n+1次谐波的振幅为：次谐波的振幅为：则：第61页/共107页62用图表示：011/31/51/71/9/R13579相关器奇次谐波输出的频率响应第62页/共107页63若输入信号频率偏离奇次谐波当可简化为：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第63页/共107页64相关器输出函数的幅频特性图

11、：第64页/共107页65相位相同，频率在变 n=1,n=2,n=3 n=1,n=2,n=3 相关器各点波形相关器各点波形第65页/共107页66 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再进行测量，这时：可按同样的方法运算，求解化简得到：为两方波的相位差（2 2）输入信号为与参考信号同频的方波 参考信号为对称方波，且 ：为输入信号相对于参考信号的延迟时间。第66页/共107页67 /2 V V0 00相关器的输出与相位差的线性关系 输入信号为对称方波时，相关器输出直流电压为信号幅度（VAm）乘以积分器的直流放大倍数（R0/R1），且与两方波的相位

12、差成线性关系。由此可见相敏检波器的由此可见相敏检波器的意义。意义。第67页/共107页68四.同步积分器 同步积分器又称为“相干滤波器”，在锁放中应用这种电路在信号通道中作为滤波用，大大提高了系统的整体性能。第68页/共107页691.同步积分器（平均器）抑噪机理基本原理：采用对信号和噪声的多次积累平均，将已知频率的周期信号从强噪声背景中提取出来。根据“噪声的随机性和信号的稳定性”，周期信号在时域中前后时间间隔中幅值是相关的，而噪声则没有相关或很弱，这样在积累中按不同规律相加，多次积累之后，我们可以把信号从噪声中分离出来。显然，测量次数越多，则信噪比的改善越明显。第69页/共107页70若测量

13、次数为n，则累积的信号等于：累积信号的平均值累积信号的平均值l l另一方面，根据各次噪声的不相关性，则累积的噪声等于：另一方面，根据各次噪声的不相关性，则累积的噪声等于：所以，测量次数所以，测量次数n n越大，则信噪比的改善越明显。越大，则信噪比的改善越明显。而增加测量次数，而增加测量次数，就意味着延长测量时间，所以信噪比的改善是以耗费时间换来的。就意味着延长测量时间，所以信噪比的改善是以耗费时间换来的。得到信噪比为得到信噪比为 :l l累积的信号等于：累积的信号等于：第70页/共107页71于是根据输入信噪比的大小以及对输出信噪比的数值要求，可由上式算出重复测量的次数n。例如，若已知，要求则

14、:第71页/共107页72用累加的方法提高信噪比，要保证信号能线性地叠加。对于周期信号，就是要使得累加过程与周期信号的重复出现同步地进行，这就是同步累积。为了利用同步累积的方法获得信噪比改善，通常将待测信号调制成周期的正弦波或对称方波。正弦波和周期性对称方波的正、负半周的信号取值分别为正值和负值，所以常常用两个累加器来实现同步累加。信号累加由同步开关与累加器相连同步进行。由于采用了积分器作为累加器故称“同步积分器”。2.工作原理第72页/共107页73同步累积器的原理框图其中V1（t）为输入信号，V2（t）为与V1（t）周期相同的参考信号，同步开关受V2（t）产生的控制信号控制，能保证V1（t

15、）在累积器中同相地累积起来。第73页/共107页74其中Vi（t）为输入信号，VR（t）为与Vi（t）周期相同的参考信号，同步开关受VR（t）产生的控制信号控制，能保证Vi（t）在累积器中同相地累积起来。第74页/共107页75注意:在实际应用同步累积法的时候，必须注意满足三个条件：（1）信号应重复（周期）（2）有适当的累积器（积分电路的时间常量）（3）能做到同相累积要保证做到同相累积则要根据不同的被检测信号波形，确定不同的参考信号。第75页/共107页763.特性分析（类似于相关器的特性）（类似于相关器的特性）时间常数T=2RC注意：相关器输出为直流，而同步积分器输出为交流方波！参考信号参考

16、信号V V V VR R R R是对称周期矩形方波是对称周期矩形方波第76页/共107页771）当输入信号为与参考信号同频的正弦波时，且2RC1，t2RC时，则稳压解为：输出方波幅值Vm正比于信号幅值和信号与参考信号之间的相位差余弦。如采用如图所示的运放，则：第77页/共107页783）输入信号为参考信号的奇次谐波2）输入信号为参考信号的偶次谐波时4）输入信号频率偏离参考信号基波或奇次谐波一个小量第78页/共107页79第79页/共107页805）当输入信号为与参考信号同频的方波时：输出方波的振幅与（两方波的相位差）成线性关系第80页/共107页811.等效噪声带宽fN：表示系统（电路）对噪声

17、的通过能力或抑制能力五.锁定放大器的主要性能参数 信号（信号（3dB3dB）带宽）带宽 基波噪声带宽基波噪声带宽 等效噪声带宽等效噪声带宽 2.2.积分时间常数积分时间常数第81页/共107页821.以相关器为核心的LIA2.以同步积分器为核心的锁定放大器（双相锁定放大器）特点：通过矢量运算电路可以同时检测信号的振幅和相位（差）信息，实现“双相锁定”功能，而且不需要调整参考信号和信号的相位差。3.同步积分器和相关器联用的LIA总动态范围提高。目前国内LIA大都采用此方案。六.锁定放大器的种类 第82页/共107页834.外差式LIA：“一种微弱信号检测方法及其在束流诊断系统中的运用”，核电子学

18、与探测技术，2008/01第83页/共107页841电调制2用机械调制盘获取同步的参考信号3利用锁相技术获取同步参考信号七.锁定放大器参考信号的提取 第84页/共107页851LIA输入的是正弦或方波，输出的是DC，其幅值正比于cos。若是输入为DC要先变为AC。2如参考信号为待测信号的同频方波，获取困难时，需采用锁相环构成的自动频率跟踪LIA。3信号频率的选择要根据情况综合考虑。如果噪声是白噪声，可考虑采用探测器的最佳调制频率。如果强干扰是主要矛盾，则利用相关器幅频特性躲开干扰频率。4.时间常数T0R0C0的选择。T0增大，fN降低，抑噪能力上升，测量时间（系统稳定时间）增大。对于某些快速响

19、应是不允许的，需要折衷考虑。可见提高LIA的信噪比是以牺牲测量时间为代价的。5动态协调。背景噪声大时：AC增益下降、DC增益上升，使系统动态贮备上升，以免过载；背景噪声小时：AC增益增大、DC增益下降，使系统输出动态上升，减小漂移，使测量更准确。6为了增大动态范围，提高整机性能，注意屏蔽、接地等措施。八.应用LIA时需要注意的事项第85页/共107页864.3.4取样积分器第86页/共107页87一.概述1.LIA的局限性l（1）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的信号无能为力。l（2）LIA实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测用压缩带宽的办法效果不明

20、显。第87页/共107页882.解决途径：取样积分器（信号平均器、Boxcar积分器）将待测的周期信号逐点多次取样并进行同步积累。将时间变化的模拟量转变为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。利用它可以解决在强噪声背景下任意形状的宽带周期信号的检测和波形再现问题。第88页/共107页89首先，微弱周期信号的周期是已知的，这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的，被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系，或者相等，或者存在某种函数关系。第89页/共107页90如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，

21、都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；经过次取样后，如同同步累积法一样，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分所以信号在噪声中显现出来。如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。第90页/共107页91二.取样积分器的工作原理和分类1.工作原理 一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器。通常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采用取样脉冲控制RCRC积分器来实现，使在取样时间积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果(输输出出)保持到下一次取样。保持到下

22、一次取样。第91页/共107页92取样门及积分器第92页/共107页932.分类单点取样积分器（单点信号平均器或Boxcar积分器）：在每个信号周期内只在一点取样积分，经多次取样积分后得到该点幅值，即变换取样工作原理。取样积分器（信号平均器）定点式：测某一特定时刻的幅值多点信号平均器：在信号每个周期内对信号进行多点取样，是实时取样工作原理。扫描式：逐点扫描可恢复波形第93页/共107页94三.取样积分器的工作方式1.定点式取样积分器 VR与VA保持同步产生触发信号，经延迟电路（可调，以确定要取样的时刻）作td 延迟，经过取样脉冲（Tg）控制取样门的开断时间，经过累加平均，经n次取样平均后，SN

23、IRn只能恢复周期性信号某一点的幅值只能恢复周期性信号某一点的幅值第94页/共107页952.扫描式取样积分器如果要恢复周期信号的波形，必须在定点取样积分器的基础如果要恢复周期信号的波形，必须在定点取样积分器的基础上，对周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每上，对周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。第95页/共107页96第96页/共107页97 在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示：l当取样脉冲对准t1位置取样积分m次后，将取样

24、脉冲在时间轴上延时t（一般来说tTg）对准t2位置再取样m次，然后又向右移动t，对准t3取样积分m次直到取样脉冲移动扫过信号的一个完整的周期。第97页/共107页98设被恢复的弱信号之周期为T，取样脉冲步进时间为t，要对弱信号一个周期取样完毕，而每个周期又只取样一次，故所需时间为：因此在积分器输出端得到的输出波形是将原被测信号拉长了n n倍的波形;因此这种取样方式又称之为变换取样，波形如图:第98页/共107页99扫描取样积分器的动画演示第99页/共107页1003.多点信号平均器前面已经说明，扫描取样积分器在信号重复出现的一个周期内只对信号取样一次。因此要取出信号一个周期内的完整波形需要nT

25、的时间。因此，取样积分器在时间上的利用率是很低的。为了缩短恢复波形所需要的时间，可以使用多个取样积分器，在每个信号重复周期内对信号逐次多点取样。在有效的观察时间内，信号每重复一次，各取样积分器上存储的信号电压就进行一次累加，多次累加的结果，使信噪比得到改善;多点信号平均器就是这样一种实时取样系统，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。第100页/共107页101多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是一个强有力的工具，由于Boxcar是单点步进多次取样平均，因此需要测量时间很长。而多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信号多点取样，在获得同样SNIR的情况下多点信号平均器所

26、需时间只是单点平均器测一点的平均时间。所以可节省测量时间。多点信号平均器是实时取样，不会使被恢复的弱信号变形（拉长），这是Boxcar所不能比拟的。第101页/共107页102多点信号平均器有模拟式和数字式两种:模拟式多点平均器的存贮器是电容，数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器，模拟式多点信号平均器原理框图如图所示：模拟式多点信号平均器原理框图如图所示：第102页/共107页103多点信号平均器的动画演示第103页/共107页104同步累积法只是使信号同相地累积起来，在信号持续的半个周期内对信号进行积分。而取样积分器，是对周期信号的某一点取样并累积。五取样积分器与同步累积的异同点第104页/共107页105取样积分器第105页/共107页106作业强噪声背景下的带宽周期信号用什么方法进行探测？可以采用锁相放大器吗？为什么？简述Boxcar积分器的定点和扫描工作方式的工作过程。画出锁相放大器的工作原理框图，并简述其工作原理。第106页/共107页107感谢您的观看！第107页/共107页