微弱信號(hào)檢測(cè)學(xué)習(xí)總結(jié)報(bào)告

1、微弱信號(hào)檢測(cè)學(xué)習(xí)總結(jié)報(bào)告1 本課程的基本構(gòu)成本課程目錄：第1章 微弱信號(hào)檢測(cè)與隨機(jī)噪聲 第2章 放大器的噪聲源和噪聲特性 第3章 干擾噪聲及其抑制 第4章 鎖定放大 第5章 取樣積分與數(shù)字式平均 第6章 相關(guān)檢測(cè) 第7章 自適應(yīng)噪聲抵消本課程分為七章：第一章主要介紹隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，是后續(xù)各章的理論基礎(chǔ)。第二章主要介紹電路內(nèi)部固有噪聲源及其特性，對(duì)各種有源器件的噪聲性能進(jìn)行分析，并闡述低噪聲放大器設(shè)計(jì)中需要考慮的幾個(gè)問題。第三章介紹干擾噪聲的來源、特點(diǎn)及各種耦合途徑，并詳細(xì)介紹屏蔽和接地對(duì)于各種干擾噪聲的抑制作用，以及其他一些常用的抗干擾措施和微弱信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原則。第四七章分別為鎖定放大

2、、取樣積分與數(shù)字式平均、相關(guān)檢測(cè)、自適應(yīng)噪聲抵消，分別介紹這幾種方法的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及一些應(yīng)用實(shí)例。因此本課程（微弱信號(hào)檢測(cè)）基本構(gòu)成：微弱信號(hào)檢測(cè)與隨機(jī)噪聲，放大器的噪聲源和噪聲特性、干擾噪聲及其抑制、鎖定放大、取樣積分與數(shù)字式平均、相關(guān)檢測(cè)、自適應(yīng)噪聲抵消。2 本課程研究的基本問題微弱信號(hào)是相對(duì)背景噪聲而言的，其信號(hào)幅度的絕對(duì)值很小、信噪比很低（遠(yuǎn)小于1）的一類信號(hào)。如果采用一般的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，那么會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，甚至完全不能檢測(cè)。微弱信號(hào)檢測(cè)的主要目的是提高信噪比。微弱信號(hào)檢測(cè)是測(cè)量技術(shù)中的一個(gè)綜合性的技術(shù)分支，它利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研

3、究被測(cè)信號(hào)的特征和相關(guān)性，檢出并恢復(fù)被背景噪聲掩蓋的微弱信號(hào)。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)是：如何從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)，探索采用新技術(shù)和新方法來提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。本課程（微弱信號(hào)檢測(cè)）研究噪聲的來源和統(tǒng)計(jì)特性，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，運(yùn)用電子學(xué)和信號(hào)處理方法檢測(cè)被噪聲覆蓋的微弱信號(hào)，并介紹幾種行之有效的微弱信號(hào)檢測(cè)方法和技術(shù)。 3 學(xué)習(xí)本課程（微弱信號(hào)檢測(cè)）后了解、掌握了哪些內(nèi)容通過對(duì)微弱信號(hào)這門課程的學(xué)習(xí)，我掌握的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：（1）了解了常規(guī)小信號(hào)檢測(cè)的手段和方法，即濾波、調(diào)制放大與解調(diào)、零位法、反饋補(bǔ)償法。（2）掌握了隨機(jī)噪聲及其統(tǒng)計(jì)特征。隨機(jī)信號(hào)的概率密度函數(shù)對(duì)

4、于連續(xù)取值的隨機(jī)噪聲，概率密度函數(shù)(PDF)P(x)表示的是噪聲電壓x（t）在t時(shí)刻取值為x的概率。對(duì)于所有x都有。t時(shí)刻噪聲電壓取值在a與b之間的概率為 而且 一種重要的概率密度函數(shù)是正態(tài)分布概率密度函數(shù)，又稱為高斯分布，自然發(fā)生的許多隨機(jī)量屬于高斯分布。另一種重要的概率密度函數(shù)是均勻分布概率密度函數(shù)。隨機(jī)噪聲的均值、方差和均方值均值 方差 均方差 隨機(jī)噪聲的相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù) 互相關(guān)函數(shù) 隨機(jī)噪聲的功率譜密度函數(shù)及其特點(diǎn)功率譜密度函數(shù) （3）了解了幾種常見的隨機(jī)噪聲及其統(tǒng)計(jì)特征：白噪聲、限帶白噪聲、窄帶白噪聲。（4）掌握了放大器的噪聲源和噪聲特性及其抑制方法，了解了低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。放大

5、器的噪聲源電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源，例如電阻的熱噪聲、阻容并聯(lián)電路的熱噪聲、PN結(jié)的散彈噪聲、l/f噪聲、爆裂噪聲等。外部干擾噪聲，干擾噪聲種類很多，它可能是電噪聲，通過電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)或直接的電氣連接藕合到敏感的檢測(cè)電路。這些都是電磁兼容性所涉及的領(lǐng)域；干擾噪聲的本源也可能是機(jī)械性的，例如，通過壓電效應(yīng).機(jī)械振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電噪聲；甚至溫度的隨機(jī)波動(dòng)也可能導(dǎo)致隨機(jī)的熱電勢(shì)噪聲。放大器的噪聲特性放大器的等效輸入噪聲與信號(hào)源內(nèi)阻的關(guān)系如下： 低噪聲放大器高噪聲放大器圖1 高噪聲放大器和低噪聲放大器噪聲抑制方法A消除或削弱干擾源；B設(shè)法使檢測(cè)電路對(duì)干擾噪聲不敏感；C使噪聲傳輸通道的耦合作用最小化。（6

6、）了解了一些微弱信號(hào)檢測(cè)的方法和技術(shù)，比如鎖相放大，取樣積分，相關(guān)檢測(cè)，自適應(yīng)噪聲抵消等。4 為了達(dá)到對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)，在具體技術(shù)方面需要解決哪些問題（1）鎖定放大器應(yīng)用鎖定放大器(LIA)是微弱信號(hào)檢測(cè)的重要手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文、通信、電子技術(shù)等領(lǐng)域的研究毛作中。在鎖定放大器應(yīng)用中需要考慮下列幾個(gè)問題： 1) LIA的功能相當(dāng)于一種抑制噪聲能力很強(qiáng)的交流電壓表，其輸人是正弦波或方波交流信號(hào)，輸出是正比于輸人波形幅值的直流信號(hào)。如果被測(cè)信號(hào)不是交流信號(hào)，則需要用調(diào)制或斬波的方式將其變換成交流信號(hào)。 2)在實(shí)際應(yīng)用中，LIA中PSD，后續(xù)的LPF常用積分器來實(shí)現(xiàn)，積分

7、器的時(shí)間常數(shù)決定了LIA的等效噪聲帶寬，也決定了LIA所實(shí)現(xiàn)的信噪改善比SNIR。積分器的時(shí)間常數(shù)越大，等效噪聲帶寬越窄，SNIR越大，所需的測(cè)量時(shí)間也就越長(zhǎng)。所以，對(duì)于強(qiáng)度變化緩慢的信號(hào)，例如光譜、電子衍射等的測(cè)量，可采用長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)；而對(duì)于強(qiáng)度變化較快的信號(hào)，積分時(shí)間常數(shù)的選擇要與信號(hào)的變化速度相適應(yīng)，在不損失有用信號(hào)的條件下，盡量提高輸出的信噪比。3)要根據(jù)信號(hào)和噪聲的具體情況適當(dāng)?shù)胤峙銵IA的交流增益和直流增益，如果信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大，而噪聲又不很嚴(yán)重，就應(yīng)該使LIA工作在高穩(wěn)定狀態(tài);如果噪聲嚴(yán)重，為了使LIA能夠正常上作，則必須使LIA協(xié)調(diào)在高儲(chǔ)備狀態(tài)。4)測(cè)量系統(tǒng)良好的屏蔽與接地是

8、LI發(fā)揮其效用的必要條件。5)LIA的參考信號(hào)輸人必須是與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的同頻信號(hào)。如果確實(shí)不能獲得合適的同頻參考信號(hào)，則可用鎖相環(huán)進(jìn)行自動(dòng)頻率跟蹤檢測(cè)。6) LIA的信號(hào)輸人前置級(jí)放大器的工作參數(shù)必須認(rèn)真選擇，根據(jù)放大器的噪聲因子圖(NF圖)，在給定的工作頻率下進(jìn)行輸人電阻匹配，以獲得最佳噪聲特性。（2）取樣積分與數(shù)字式平均技術(shù)要恢復(fù)淹沒在噪聲中的脈沖波形時(shí)，需要使用此種方法。在取樣積分與數(shù)字式平均技術(shù)應(yīng)用中需要考慮下列幾個(gè)問題：1）門積分的選取：在信號(hào)幅度較小的情況下，采用線性門積分有利；而在信號(hào)幅度較大時(shí)，為了防止電路進(jìn)入非線性區(qū)導(dǎo)致測(cè)量誤差，必須采用指數(shù)式門積分器。所以，在具體的門積分應(yīng)

9、用中，要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況和要求選擇合適的門積分方式。2）取樣積分器工作方式的選擇：取樣積分器的工作方式可分為定點(diǎn)式和掃描式兩種，一般將這兩種工作方式組合在同一儀器中，有用戶選擇使用哪種工作方式。定點(diǎn)工作方式用于檢測(cè)信號(hào)波形上某一特定位置的幅度，而掃描工作方式用于恢復(fù)和記錄被測(cè)信號(hào)的波形。3）取樣積分器參數(shù)的選擇：一般需要考慮的參數(shù)有：取樣脈沖寬度Tg、時(shí)基鋸齒波寬度Tb、積分器時(shí)間常數(shù)Tc=RC的選擇、慢掃描時(shí)間Ts，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。（3）相關(guān)檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中，使用的相關(guān)檢測(cè)設(shè)備有多種類型，主要分成：1）模擬式相關(guān)器：兩路信號(hào)都是模擬量。2）數(shù)字式相關(guān)器：首先將兩路信號(hào)量化為數(shù)字量，再

10、進(jìn)行相乘和累加平均的運(yùn)算，一般是在微處理器和累加器上實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。3）混合式相關(guān)器：其特點(diǎn)是，一路信號(hào)為模擬量，另一路信號(hào)為量化的數(shù)字量。4）修正的混合式相關(guān)器：為了克服混合式相關(guān)器輸出的偏差，在數(shù)字通道人為疊加偽隨機(jī)信號(hào)，再進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，這種方式有一定的理論價(jià)值，但實(shí)用性較差。5 微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用（1） 鎖相放大器在微波特性研究中的應(yīng)用原理：微波天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)的中心設(shè)備一般是由一臺(tái)鎖相放大器和一臺(tái)微波分析儀構(gòu)成。本實(shí)驗(yàn)選用兩臺(tái)微波分析儀，其中一臺(tái)用其發(fā)射天線，向外發(fā)射微波，另一臺(tái)用其接收天線，接收微波信號(hào)，這樣就打破了常規(guī)的只能在固定范圍內(nèi)測(cè)量微波天線方向圖的束縛，可以測(cè)量隨距離變化

11、的微波方向圖，測(cè)試電路如圖2所示。速調(diào)管電源選用方波調(diào)制，調(diào)制電壓輸出用電阻分壓作為鎖相放大器的參考信號(hào)。速調(diào)管的發(fā)射電壓受到調(diào)制，輸出為方波調(diào)制的微波信號(hào)，工作頻率為9. 37GHZ，由發(fā)射天線發(fā)射。待測(cè)天線作為接收天線，通過匹配器件由晶體檢波器檢波，輸給鎖相放大器作為待測(cè)信號(hào)，這樣就滿足了鎖相放大器待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)頻率相同的條件，可實(shí)現(xiàn)互相關(guān)運(yùn)算。由接收天線轉(zhuǎn)臺(tái)改變天線的方向，測(cè)得天線的方向圖。圖2 微波天線方位測(cè)量原理圖（2） 取樣積分器用于檢測(cè)表面及亞表面的微小缺陷零件或材料的表面及亞表面處是一般體聲波無損檢測(cè)的盲區(qū)，因此探測(cè)表面及亞表面缺陷要利用聲表面波(SAW)。聲表面波在表面及

12、亞表面缺陷處會(huì)產(chǎn)生反射。在時(shí)域上反射波的大小、形狀和在頻域中反射波的頻率特性(頻譜)與缺陷的性質(zhì)有關(guān)。一般地說，SAW的頻率愈高，能探測(cè)到愈近表面的缺陷。圖3所示為用激光探針法探測(cè)表面及亞表面缺陷對(duì)聲表面波的反射系數(shù)的檢測(cè)裝置框。光電二極管的輸出信號(hào)經(jīng)放大，同時(shí)分別送入Boxcar(進(jìn)行信號(hào)處理)與示波器(觀察波形)。因?yàn)樵谔綔y(cè)微小缺陷時(shí)，光電二極管接收到的反射波信號(hào)很微弱，僅有幾個(gè)微伏(峰-峰值)，深埋于系統(tǒng)噪聲中，因此必須采用取樣積分器(Boxcar)提取之。為了達(dá)到取樣積分器的輸入電平，將這微弱的電信號(hào)放大幾萬倍，然后輸入取樣積分器的“觀察信號(hào)輸入”端。另一方面，已調(diào)高頻信號(hào)分路輸入取樣積分器的“參考信號(hào)輸入”端作為觸發(fā)基準(zhǔn)，以消除脈沖信號(hào)發(fā)生器的同步信號(hào)與已調(diào)高頻信號(hào)在初相位上的隨機(jī)誤差，保證取樣積分器的參考信號(hào)與已調(diào)高頻信號(hào)的相位同步.取樣積分器的輸出接至X-Y記錄儀，描畫出聲表面波的主波和反射波。依據(jù)反射波的大小、形狀等性質(zhì)，即可知道表面、亞表面存在的缺陷情況。圖3 檢測(cè)裝置框圖（3） 微弱激光信號(hào)的數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)數(shù)字相關(guān)檢測(cè)基本原理：微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)能測(cè)量傳統(tǒng)