内容发布更新时间 : 2024/5/8 0:48:44星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

微弱信号检测技术

微弱信号检测技术

科学技术发展到现阶段，极端条件下的物理实验已成为深化认识自然的重要手段(这些实验中要测量的物理量往往都是一些非常弱的量，如弱光、弱磁、弱声、微小位移、徽温差、微电导及微弱振动等等。由于这些微弱的物理量一般都是通过各种传感器进行电量转换(使检测的弱物理量变换成电学量。但由于弱物理量本身的涨落、传感器的本底和测量仪器的噪声的影响，被测的有用的电信号往往是淹没在数千倍甚至数十万倍的噪声中的微弱信号(为了要得到这一有用的微弱电信号，就产生了微弱信号检测技术。因此(微弱信号检测技术是一种与噪声作斗争的技术(它利用了物理学、电子学和信息论的方法(分析噪声的原因和规律(研究信号的特征及相关性(采用必要的手段和方法将淹没在噪声中有用的微弱信号检测出来(目前(微弱信号检测主要有以下几种方法: ‘ b5E2RGbCAP 1、相干检测

相干检测是频域信号的窄带化处理方法(是一种积分过程的相关测量(它利用信号和外加参考信号的相干特性，而这种特性是随机噪声所不具备的，典型的仪器是以相敏检波器(PSD)为核心的锁相放大器。 p1EanqFDPw 2、重复信号的时域平均

这种方法适用于信号波形的恢复测量。利用取样技术(在重复信号出现的期

n间取样(并重复n次，则测量结果的信噪比可改善倍。代表性的仪器有Boccar平均器或称同步(取样)积分器，这类仪器取样效率低，不利低重复率的信号的恢复(随着微型计算机的应用发展(出现了信号多点数字平均技术，可最大限度地抑制噪声和节约时间，并能完成多种模式的平均功能(DXDiTa9E3d 3、离散信号的统计处理

在微弱光检测中，由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征(使得利用离散信息处理方法检测微弱光信号成为可能。微弱光检测又分为单道(Single-Channel)和多道(MuIti(-Channel)两类。前者是以具有单电子峰的光电倍增管作传感器，采用脉冲甄别和计数技术的光子计数器;后者是用光导摄象管或光电二极管列阵等多路转换器件作传感嚣(采用多道技术的光学多道分析器(OMA)。OMA具有时间分辨能力，这为动力学过程的研究创造了条件( RTCrpUDGiT 4、计算机处理方法

随着计算机应用范围的扩大，原来在微弱信号检测中需要硬件来完成的检测系统(现在可以用软件来实现。利用计算机进行曲线拟合、平滑、数字滤波、快速傅立叶交换(FFT)及谱估计等方法处理信号，提高了信噪比，实现了微弱信号检测的要求。 5PCzVD7HxA 锁定放大器原理实验 一、目的要求

l、了解相关器的原理:测量相关器的输出特性;

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2、了解锁定放大器的原理及典型框幽;

3、 根据典型框图，组装锁定放大器;熟悉锁定放大器的使用方法: 二、基本原理

随着科学技术和生产的发展，存在着大量淹没在噪声背景中的微弱信号需要检测。微弱信号检测技术已成为深化认识自然，探索新材料，创造新器件的重要工具。微弱信号检测这种专用技术最根本的目的是改善信噪比。当信号频jLBHrnAILg 率和相位己知时，可以证明:采用相干检测技术能使信噪比改善最大，并且是恢复信号幅度的最佳技术。采用这一技术，国外62年出现了第一台锁定放大器。从62年以来，为了适应迅速发展的科学技术的要求，提高锁定放大器性有甚的研究工作从未间断，特别是七十年代后期到现在发展更为迅速，不断取得新的进展。锁定放大器已成为现代科学技术中必不可少的常备仪器。 xHAQX74J0X 实际测量一个被测量时，无用的噪声和干扰总是伴随着出现，影响了测量的精确性和灵敏度。特别当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号。这些检测仪器是根据改进信噪比的原则设计和制作的。可以证明，当信号的频率和相位己知时。采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大，微弱信号检测的著名仪器锁定放大器，就是采用这一技术设计与制造的。 LDAYtRyKfE 锁定放大器是以相干检测技术为基础，其核心部分是相关器，基本原理框图如图2—1所示。锁定放大器的主要由三部分组成，即:信号通道(相关器前那一部分)、参考通道和相关器(包括直流放大器)。 Zzz6ZB2Ltk 1、信号通道

信号通道是相关器前的一部分，由低噪声前置放大器，各种功能的有源滤波器，主放大器等部分组成。其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。 dvzfvkwMI1 信号通道要求具有低噪声和高增益的性能，前置放大器是锁定放大器的第一级，由于被测信小，有可能是100nv或10nv甚至更小，则要求前置放大器必须具备低噪声的特点。否则将由于放大器本身的噪声将使信号淹没得更深。在测量中对于不同测量要采用不同的传感器，各种传感器的输出阻抗不一样，即对前置放大器而言就呈现出不同的信号源内阻。为了得到最佳噪声性能，必须使rqyn14ZNXI 前置放大器工作在最佳信号源内阻条件下。这样必须设计不同最佳信号源内阻的前置放大器或采用输入匹配变压器，使放大器在最佳信号源内阻的条件下工作，达到最佳噪声性能。另外，还必须考虑前置放大器具备有足够的放大倍数(100或1000倍)，强的共模抑制能力，较大的动态范围等。 EmxvxOtOco 图2-1锁定放大器的基本原埋框图

信号通道中的有源滤波器，有时也称相关器前有源滤波器，这是为了便于和相关器中的低通滤波器不相混淆而取的名称。滤波器要求根据干扰和噪声的不同类型可以采用带通，高通，

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低通，带阻，带陷波等不同形式，或几种同时使用。有源滤波器通常也具有放大能力，如果滤波器放大倍数还不够，就要在相关器前再加入交流放大器? SixE2yXPq5 2、参考通道

互相关接收除了被测信号外，需要有另一个信号(参考信号)送到乘法器中，因此，参考通道是锁定放大器区别于一般仪器的不可缺少的一个组成部分。其作用是产生与被测信号同步的参考信号输给相关器。通常锁定放大器的参考通道输出是和信号同步的对称方波，用以驱动相关器的场效应管开关。参考通道主要是由触发电路、相移电路、方波形成电路和驱动级等几部分组成。和信号同步的参考触发信号，可以是仪器内部产生或由外部输入。大部分产品由外部输入，输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲等各种波形的周期信号。6ewMyirQFL 触发电路有时也称过零电路，能把各种波形的参考信号变成一定波形的同步脉冲，去触发下一级电路。触发电路要求有很大的触发电平范围和很宽的工作频率范围，通常触发电平在几十毫伏到几十伏，频率从零点几赫到几百千赫或更高。 kavU42VRUs 相移电路是参考通道的主要部件，它的功能是改变参考通道输出方波的相位，要求在360?内可调。大部分的锁定放大器的相移部分由一个0?一100?连续可调的相移器，以及相移量能跳变90?、180?和270?的固定相移器组成，从而达到360?范围内都能调的任何相移量。相移器的相移精度以及相移一频率响应都有一定的要求。 y6v3ALoS89 方波形成电路的作用是把相移器送来的波形变成同步的占空比严格为1:1的方波。(为了抑制偶次谐波，占空比必须严格为1:1)。 M2ub6vSTnP 驱动级是把方波变成一对相位相反的方波，用以驱动相关器中场效应管开关，根据开关对驱动电压的要求，驱动级必须输出一定幅度的方波电压给相关器。 0YujCfmUCw 3、相关器

这是锁定放大器的核心部分，下面将作详细介绍，相关器应具有动态范围大，漂移小，时间常数可调，线性良好等性能。其基本原理如下: eUts8ZQVRd 1、相关接收

微弱信号检测的基础是被测信号在时问轴上具有前后相关的特性。相关函数是表征原函数的线形相关得度量。因此，直接实现计算相关函数，就可以实现从噪声中检测被淹没的信号。利用随机过程的自相关函数来检测信号称为自相关接收:利用两个随机过程得互相关函数来检测信号称为互相关接收。由于自相关接收的抗干扰能力没有互相关接收强，并且实现起来也比较复杂，因此，sQsAEJkW5T 在微弱信号检测中，几乎都采用互相关接收。

互相关接收对于已知为周期性的信号的检测十分有用。如图1,l所示，输入乘法器的两路信号中，e1(t)为被检测信号，是VA(t)与背景信号Vn(t)的叠加，e2(t)为在接收设备中设法产生的与被检测信号VA(t)同步的参考信号VB(t)。将参考信号与杂有噪声的输入信号 GMsIasNXkA ，，，，，，et,Vt，Vt1An进行相关，得到被测信号的相关函数，就代表了被测信号。 由于噪声Vn(t)与参考信号VB(t)的相关性，RNB(τ)=0，因此有 ，，，，R,,R,12AB (1-1) TIrRGchYzg 3 / 8