第九章：微弱信號檢測

1、作業(yè)題：一熱探測器的光敏面積為作業(yè)題：一熱探測器的光敏面積為1mm2，工作溫度為，工作溫度為300K，工作帶寬，工作帶寬 f=10Hz，若該探測器的吸收率為，若該探測器的吸收率為1，求，求由于溫度起伏所限制的最小可探測功率由于溫度起伏所限制的最小可探測功率Pmin.材料講解要求：材料講解要求：簡要講解器件的基本原理簡要講解器件的基本原理給出對應參數(shù)的數(shù)學表達形式給出對應參數(shù)的數(shù)學表達形式重點介紹目前器件性能參數(shù)的改變或進展。重點介紹目前器件性能參數(shù)的改變或進展。助教評分，拉開檔次，對于不認真準備材料的要堅決扣分助教評分，拉開檔次，對于不認真準備材料的要堅決扣分評分原則：評分原則：95分以上：在

2、已有材料的基礎上，能補充部分材料、準備充分，分以上：在已有材料的基礎上，能補充部分材料、準備充分， 講解清晰。（講解清晰。（15%）85-95分：能充分理解材料的內(nèi)容、講解清晰。（分：能充分理解材料的內(nèi)容、講解清晰。（65%）85分以下：認真準備材料（分以下：認真準備材料（20%）第九章：微弱信號檢測技術第九章：微弱信號檢測技術 一、引言一、引言 很多領域存在微弱信號檢測問題。很多領域存在微弱信號檢測問題。二、解決微弱信號檢測的方法二、解決微弱信號檢測的方法 1 1、降低系統(tǒng)的噪聲：使被測信號功率、降低系統(tǒng)的噪聲：使被測信號功率P PS S大于噪聲功率大于噪聲功率P PN N，以達，以達 到信

3、噪比到信噪比S SN1N1； 2 2、采用相關接收技術：可以保證在、采用相關接收技術：可以保證在P PS SP1，且積分時間，且積分時間tR0C0，得到得到cos2 cosexp 12)0(100001000RVRCRtRVRnVAAcos2100RVRVAoLL V Vo o為直流電壓，其大小正比于輸入信號幅值為直流電壓，其大小正比于輸入信號幅值V VA0A0和被測信號與和被測信號與 參考信號之間相位差的余弦參考信號之間相位差的余弦(cos(cos ) )。LL由于相關檢測是利用了長時間對信號的積累原理，所以最終輸由于相關檢測是利用了長時間對信號的積累原理，所以最終輸 出的信號不再是周期變化

4、的信號，而是被出的信號不再是周期變化的信號，而是被PSDPSD平滑了的直流信平滑了的直流信 號。號。-R0/R1近似為積分近似為積分器的直流放大倍數(shù)器的直流放大倍數(shù)cos2100RVRVAo9.3.2 鎖定放大器主要參數(shù)鎖定放大器主要參數(shù)一、等效噪聲帶寬一、等效噪聲帶寬fN 反映系統(tǒng)對噪聲的選擇性，鎖定放大器的反映系統(tǒng)對噪聲的選擇性，鎖定放大器的 fN表達為表達為 若取若取R0C0=300s，則，則 fN=8.310-4Hz。二、等效信號帶二、等效信號帶寬寬 fs表示系統(tǒng)對信號的選擇性，指輸出信號下降至最大值的表示系統(tǒng)對信號的選擇性，指輸出信號下降至最大值的0.707時時對應的頻率。由于噪聲頻

5、譜與信號頻譜具有完全不同的特征，對應的頻率。由于噪聲頻譜與信號頻譜具有完全不同的特征，所以所以fN與與fs具有不同意義。信號帶寬可以直接寫出具有不同意義。信號帶寬可以直接寫出 fs為等效帶通濾波器的帶寬，若仍取為等效帶通濾波器的帶寬，若仍取R0C0=300s，則，則 fs=5.310-4。 0041CRfN0021CRfs當已知信號頻率為當已知信號頻率為fs，所用的帶通濾波器等效帶寬為，所用的帶通濾波器等效帶寬為 fs，則相應，則相應的帶通放大器品質(zhì)因數(shù)的帶通放大器品質(zhì)因數(shù)Q為為ssffQLL由于由于fN與與fs有一定關系，若有一定關系，若fs越窄，則越窄，則fN越窄，對噪聲越窄，對噪聲 的抑

6、制也越好。所以，品質(zhì)因數(shù)的抑制也越好。所以，品質(zhì)因數(shù)Q也表征了帶通放大器對噪聲也表征了帶通放大器對噪聲 的抑制能力。的抑制能力。 LL當當f fs s=100kHz=100kHz， f fs s =5.3 =5.31010-4-4Hz,Hz,相應的相應的 f fN N =8.3 =8.31010-4-4HzHz， 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q=1.88Q=1.8810108 8。 LL相關器相當于一個相關器相當于一個“跟蹤跟蹤”濾波器，由于被測信號與參考信號嚴濾波器，由于被測信號與參考信號嚴 格同步，就能保證在很窄的格同步，就能保證在很窄的 f fs s條件下總能輸出信號并抑制噪聲條件下總能輸出信號并抑

7、制噪聲。 l三、三、 信噪比改善信噪比改善(SNIR) 通常用信噪比改善通常用信噪比改善(SNIR)參數(shù)來描述輸出信噪比的改善參數(shù)來描述輸出信噪比的改善： ioNSNSSNIR)/()/(信噪比改善情況與鎖定放大器抑制噪聲能力有關，即與噪聲帶寬信噪比改善情況與鎖定放大器抑制噪聲能力有關，即與噪聲帶寬被壓縮的程度有關，故上式又可寫作：被壓縮的程度有關，故上式又可寫作：NoNiffSNIR式中式中 fNi和和 fNo分別為鎖定放大器輸入和輸出等效噪聲帶寬。分別為鎖定放大器輸入和輸出等效噪聲帶寬。例題例題4、若設、若設 fNi =200kHz， fNo =8.310-4Hz，求，求SNIR。 SNI

8、R =16104。LL鎖定放大器可以使信噪比改善一萬多倍，可見鎖定放大器具有鎖定放大器可以使信噪比改善一萬多倍，可見鎖定放大器具有 很強的抑制噪聲的能力。很強的抑制噪聲的能力。LL鎖定放大器輸出信號不是輸入信號簡單地放大，而是把輸入的鎖定放大器輸出信號不是輸入信號簡單地放大，而是把輸入的 交流信號變?yōu)橹绷餍盘枺瑩Q言之，它不能恢復原有信號的波形，交流信號變?yōu)橹绷餍盘枺瑩Q言之，它不能恢復原有信號的波形， 使用時要注意這一特點。使用時要注意這一特點。9.4 9.4 取樣積分器取樣積分器 取樣積分器取樣積分器: :又稱又稱BoxcarBoxcar，也是一種微弱信號檢測儀器。，也是一種微弱信號檢測儀器。

9、工作原理：工作原理：利用周期性信號的重復特性，在每個周期內(nèi)對信號利用周期性信號的重復特性，在每個周期內(nèi)對信號 的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器取出平均值，于是各個周的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器取出平均值，于是各個周期內(nèi)取樣平均信號的總體便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。期內(nèi)取樣平均信號的總體便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。信號提取信號提取( (取樣取樣) )是經(jīng)過多次重復的，而噪聲多次重復的統(tǒng)計平是經(jīng)過多次重復的，而噪聲多次重復的統(tǒng)計平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號波均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號波形。形。 應用范圍：應用范圍：取樣積分器所能檢測的信號是重

10、復的（不一定是周取樣積分器所能檢測的信號是重復的（不一定是周期性連續(xù)信號），波形是不變的，產(chǎn)生的時刻是已知的。期性連續(xù)信號），波形是不變的，產(chǎn)生的時刻是已知的。9.4.1 取樣的物理過程取樣的物理過程取樣取樣：利用取樣脈沖序列從連續(xù)信號中：利用取樣脈沖序列從連續(xù)信號中“抽取抽取”一系列的離散值；一系列的離散值；取樣脈沖取樣脈沖P(t)：沖激函數(shù)：取出的樣品是線性的沖激函數(shù)：取出的樣品是線性的理想取樣；理想取樣；取樣脈沖寬度為取樣脈沖寬度為：取樣為寬度為：取樣為寬度為的信號成分的信號成分有限脈寬取樣；有限脈寬取樣；9.4.2 取樣積分器的工作原理取樣積分器的工作原理 取樣積分器的工作方式：取樣積

11、分器的工作方式：簡單的取樣門結(jié)構(gòu)簡單的取樣門結(jié)構(gòu)掃描式定點式單點取樣方式對信號每周取樣并積分一次，經(jīng)過對信號每周取樣并積分一次，經(jīng)過多次取樣積分得到該點的信號幅值。多次取樣積分得到該點的信號幅值。用于恢復和記錄被測信號的波形。用于恢復和記錄被測信號的波形。檢測信號波形上的某一特定時檢測信號波形上的某一特定時刻的幅度刻的幅度-類似于鎖定放大器類似于鎖定放大器一、取樣積分器取樣過程一、取樣積分器取樣過程圖中圖中A、B、C各點為取樣點各點為取樣點 ；取樣過程取樣過程：它將一個高重復頻率的信號，通過逐點取樣，將時：它將一個高重復頻率的信號，通過逐點取樣，將時間變化的模擬量轉(zhuǎn)變成對時間變化的離散量的集合

12、，這種集合間變化的模擬量轉(zhuǎn)變成對時間變化的離散量的集合，這種集合即為信號的低頻復制，從而做到該低頻信號的幅值、相位和波即為信號的低頻復制，從而做到該低頻信號的幅值、相位和波形的測量。形的測量。 對于某一取樣點的值，若信號值為對于某一取樣點的值，若信號值為Si，噪聲值為，噪聲值為Ni，則其信噪，則其信噪比比(S/N)i=Si/Ni。經(jīng)過經(jīng)過ns次取樣積累后（線性積累），次取樣積累后（線性積累），So= nsSi，No=信噪比為：信噪比為：即經(jīng)過即經(jīng)過ns次取樣后信噪比改善次取樣后信噪比改善: isNnisiisisisoooNSnNSnNnSnNSNS)/()/(sionNSNSSNIR)/()

13、/(上式為平均效果的上式為平均效果的 法則法則(N=ns)。顯然，取樣點數(shù)。顯然，取樣點數(shù)(ns)越多，信越多，信號恢復越精確，但需要積累的時間也越長。號恢復越精確，但需要積累的時間也越長。N例題例題1，若被測波形用，若被測波形用10個點描述，每點積累個點描述，每點積累100次，信號重復頻次，信號重復頻率率fs=1kHz；求信噪比改善及所需的測量時間。；求信噪比改善及所需的測量時間。則信噪比改善：則信噪比改善：SNIR= =10，測量的時間為：測量的時間為：10(點點)100(次次) =1s。同理，若每點積累同理，若每點積累10000次，則次，則SNIR=100，記錄時間將增加為，記錄時間將增

14、加為100s。由此可見，微弱信號檢測都是以犧牲時間為代價的。由此可見，微弱信號檢測都是以犧牲時間為代價的。sf/1100RC：指數(shù)積累信號振幅較大時采用；二、二、取樣積分器的積分過程取樣積分器的積分過程 運算放大器：線性積累充電時間為充電時間為RC時，時，Vout=0.632Vin；對于門積分電路，有效的充電時間為對于門積分電路，有效的充電時間為Tg，nTg=RC，OCT=nTs叫觀察時間常數(shù)。叫觀察時間常數(shù)。)1 (/ RCtinouteVV不會因積分時間過長而使輸出過載；不會因積分時間過長而使輸出過載；積分時間積分時間2OCT，輸出電壓增量變小，平均效果降低，因此過，輸出電壓增量變小，平均效果降低，因此過長時長時 間的測量變得沒有實際意義。間的測量變得沒有實際意義。三、定點式取樣積分器三、定點式取樣積分器 被測信號被測信號取樣脈沖取樣脈沖取樣點相對信號起始時刻是固定延時的，并且門寬不變，因此取樣點相對信號起始時刻是固定延時的，并且門寬不變，因此 保證所測量的是離原點為固定延時的重復信號的某點瞬時平保證所測量的是離原點為固定延時的重復信號的某點瞬時平 均值。輸出電壓與鎖定放大器相似；均值。輸