微弱信号检测技术.ppt

第六章 微弱信号检测技术,精密测控与系统,Weak Signal Detection-WSD,第六章 微弱信号检测技术,6.1 随机信号分析主要概念回顾 6.2 噪声的基本知识 6.3 窄带滤波法（了解） 6.4 同步累积法（了解） 6.5 同步相干检测（重点内容） 6.6 取样积分（重点内容） 6.7 屏蔽与接地技术（自学）,概述,微弱信号的定义 有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。如输入信号的信噪比为10-2或者更小，即信号完全淹没在噪声之中。 有用信号的幅度绝对值很小，如检测v、nV乃至pV量级的电压信号；检测每秒钟多少个光子的弱光信号与图象。,概述,科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，例如： 生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电 天文学中的星体光谱 化学反映中的物质生成过程 物理学中表面物理特性 光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱 微机电系统（MEMS）的微位移、微力、微电流、电压等,概述,微弱信号检测 任务：提高检测系统输出信号的信噪比，检测被噪声淹没的微弱有用信号。 途径： 隔离噪声源，降低传感器噪声 采用先进的信息提取方法（本章重点） 方法： 分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频率、相位等） 研究被测信号的特点（频谱与相关性等） 采用信息论、电子学和计算机分析等方法进行信息处理,微弱信号检测的进展,美国吉时利(KEITHLEY)仪器公司是当前世界上微弱信号检测的先驱，水平如下,6.1 随机信号分析回顾,一、能量有限信号和功率有限信号 能量有限信号,功率有限信号,一般非周期信号属于能量有限信号,如周期信号、阶跃信号等,二、均值、均方值、方差,均值：信号的常值分量,均方值：信号的平均功率， 正平方根为均方根值 (有效值),方差：信号的波动分量 正平方根为标准差x,三者关系：,三、概率密度函数,定义：信号幅值落在指定区间内的概率,意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线,随机噪声概率密度函数的特点,大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布,四、相关函数,自相关函数：,互相关函数：,用途：度量信号波形的相似程度， 提取信号中的周期成份,信号平均功率,其它性质在相关检测中具体讨论,五、功率谱密度,特性：S (f)与R ()是一对傅立叶变换对，满足 Wiener-Khintchine定理,功率谱密度的物理意义,Sx(f) 曲线下的面积即为信号x(t)的平均功率，即 Sx(f) 表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称 功率密度函数。,六、放大器及线性网络的带宽,式中： G(f)功率增益的频谱函数 G0最大功率增益 f系统带宽,使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值,6.2 噪声基本知识,一、干扰和噪声 干扰：可以消除或减小的外部扰动。 如50HZ工频干扰、 电台广播、电视信号、宇宙射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件合理配置等措施，来减小和消除干扰。 噪声：由于材料或器件的物理原因所产生的扰动。 如导电阻内的热噪声、 晶体管内的散粒噪声。由大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大多属于随机噪声。,二、信噪比和信噪改善比,1. 信噪比SNR,2. 信噪改善比SNIR,SNR越高，测量误差越小。 微弱信号检测的目的就是使SNR1或SNR1,SNIR越高，测量系统检测微弱信号的能力越强,三、几种常见的电子噪声,微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。,1. 电阻中的热噪声(约翰逊噪声，1928年发现),温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电阻两端都会有噪声电压。 原因：电阻中载流子的随机热运动引起 特点：由于电阻中载流子的热运动的随机性，热噪声电压是随机的 奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压的有效值：,k: 波尔兹曼常数 1.381023J/K， T: 绝对温度(K) R: 电阻值()， f: 系统带宽（Hz）,在微弱信号检测中，需要考虑热噪声 噪声功率（有效值的平方均方值）P正比于f，则功率谱密度为常数，所以热噪声是一种白噪声。 降低措施： 可以通过减小T、 f 降低热噪声电压,例如：R=1k , f =105Hz，T=300K，则 Et=1.12V,电阻中的热噪声,电阻热噪声等效电路,2. 散粒噪声,由于阴极发射电子的无规律性或PN结载流子的起伏所造成的，仅存在于有源器件中。 使器件中流动的电流不再平滑、连续，而是随机变化。 散粒噪声的电流有效值：,q: 电子电荷，q=1.610-19C Idc: 平均直流电流(A) f: 系统带宽(Hz),噪声功率正比于f，则功率谱密度为常数，属白噪声。,可通过测量流经该器件的直流电流Idc来测量散粒噪声每赫兹带宽的电流有效值。 减小散粒噪声的方法是降低平均直流电流和系统带宽,3、低频噪声（又称1/f噪声）,原因：材料的表面特性造成，如载流子的产生和复合、表面态的密度等。广泛存在于有源和无源器件中，如：晶体管、电子管、电阻等 噪声的功率谱密度 1/f，低频时噪声功率密度大，故称低频噪声。,若f 不变，则工作频率越低，噪声越大，也叫色噪声。,4、接触噪声,两种不同性质的材料相接触时，会造成其导电率起伏变化，从而产生噪声。例如：晶体管焊接处接触不良、 开关、继电器的接触点处。 单位带宽的噪声电流有效值为：,B: 以中心频率表示的带宽； K: 与材料的几何特性有关的常数,接触噪声的功率谱密度 1/f，所以低频段影响大，是低频电子电路的主要噪声源。,四、噪声电路的计算,信号的叠加 设x1、x2为两个噪声信号，它们叠加时，其均方值可以表示为：,式中，为相关系数 当0时，完全不相关 当| |=1时，同一噪声源,四、噪声电路的计算,叠加法的应用 对于线性网络的噪声电路，可以应用叠加法进行多源网络噪声分析,E1、E2为两个不相关的噪声源,6.3 窄带滤波法,一、基本原理 设计出发点：噪声功率谱密度比较宽，信号功率谱密度比较窄。 工作原理：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来；由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信噪比能得到很大改善。 降噪效果，见LabView演示autocorr.vi。 特点：滤波器带宽B越窄，信噪比提高越好 缺点：带宽B与f0 、Q有关，B很窄的滤波器无法实现。无法检测深埋在噪声中的信号，只适用于对噪声特性要求不高的场合,6.4同步累积法,一、工作原理 设计出发点： 信号的重复性， 噪声的随机性 原理： 重复n次测量，使信号同相地累积起来，而噪声确由于其随机性相互抵消，从而达到降噪目的。 信噪改善比SNIRn（推导见课本p157） 降噪效果，见LabView演示cumulate.vi 结论： n越大，信噪比的改善越明显，但测量时间也越长 可根据输入信噪比的大小和对输出信噪比的要求，决定所需的测量次数n。（举例）,二、同步累积法应用条件,信号可重复 有合适的累积器 能做到同步累积（同相累积）,三、电路原理框图,四、同步积分器同步累积器的实现,适用周期信号：正弦波、方波 结构 正、负两个半周期分别采用两个积分器进行累积累积器 转换开关S：受US (t)控制 积分器输出 正弦波：半周期内的平均值 方 波：方波幅度 电路：积分电路时间常数比输入信号的周期大很多,五、应用： 信噪比<0.1的微弱信号，电压信噪改善比可达40dB。,6.5同步相干检测(重点),一、相关函数的重要性质 相关函数的定义与计算 相关函数基本性质 周期信号相关函数的特点 随机噪声信号的相关函数 二、自相关检测 三、互相关检测,一、相关函数的定义与计算,能量有限信号的自相关函数,功率有限信号的自相关函数,2、相关函数的基本性质,=0时，R() 取最大值。 对实函数，R() 为偶函数,对复函数,2、周期信号相关函数特征,正弦信号 自相关函数,见LabView演示程序autocorr.vi，设置噪声幅值为0 讨论，波形的衰减现象,3、噪声的相关函数,随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，其相关函数随的增加而减小，如红色曲线所示。 对于白噪声，其相关性很小。相关函数函数随的增加而迅速减小如蓝色曲线所示。,见LabView演示程序autocorr.vi，设置信号幅值为0,二、自相关检测,基本原理 利用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的目的基本原理 是从强噪声中提取弱信号的重要手段。,实现方法 混有噪声的信号 送入相关接收机 两个通道（不延时和延时）相乘器积分器,自相关检测理论推导,信号 的自相关函数,在一般情况下，噪声和信号不相关，有,所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数,此外，若时延足够大，则,例：已知正弦弦信号 ，混合有 随机噪声n(t), 求自相关检测输出信号。,解：根据自相关检测的特点，有,由以前推导可知：,见LabView演示程序autocorr.vi，设置信号幅值为0,三、互相关检测,1、基本原理： 若已知发送信号的重复周期或频率，就可在接收端发出一个与发送信号周期相同的“干净的”重复周期信号，称为本地信号，将它与混有噪声的输入信号进行互相关，即可除去噪声的影响，提高电路的抗干扰能力。,2、互相关检测实现方法,输入信号 与本地信号 送入相关接收机的两个通道（输入信号不延时、本地信号延时）相乘器积分器,3、互相关检测理论推导,若 噪声与信号不相关 ，则 所以,互相关接收机只有信号与本地信号的相关输出， 去掉了噪声项，因此提高了输出的信噪比,4、互相关检测应用锁定放大器,利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪，对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。 工作原理,锁定放大器理论推导,则锁定放大器的输出为(参考信号不进行时移锁定),其中 为系统输出增益,其中,设,讨论：输出信号特点,见LabView演示程序crosscorr.vi，设置信号幅值为0,锁定放大器的特点,把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。 交流输入，直流输出：输出电压正比于输入信号幅度和 被测信号与参考信号相位差的余弦。 极高的放大倍数：若有前置放大器，总增益可达1011。能检测极微弱的信号。 灵敏度：满刻度灵敏度v、nv、pv 信噪改善比：可达104 噪声大于信号数千倍仍能正常检测，具有极强的抗干扰能力。,锁定放大器的构造,基本构成：信号通道、参考通道、相关器,锁定放大器各部分功能说明,信号通道：将弱信号放大到足以推动相关器工作 前置放大器：要求低噪声、高增益，放大倍数一般为1001000倍。 有源滤波与衰减：提高信号进入相关器前的信噪比；抑制和虑除部分干扰及噪声，扩大仪器动态范围。,锁定放大器各部分功能说明,参考信号通道：将输入的正弦波、方波、三角波、脉冲波等周期信号转化成与之同频的对称方波。 过零触发电路：将各种波形的输入信号变换成同步脉冲。 倍频电路：将触发器输出的脉冲信号倍频。 移相电路：改变参考通道输出方波的相位，要求在0360度范围内可调,锁定放大器各部分功能说明,相关器：完成被测信号与参考信号的互相关运算。 乘法器：一般由相敏检波器组成 积分器：由运放构成,作业,已知：混有噪声n(t)的脉冲信号f(t)，f(t)=s(t)+n(t)，其中,求：用Matlab编程，计算自相关检测 输出信号，并作图。采样点数2048，采频自定。,n(t)为幅值在-1,1区间的白噪声。,发Word版作业，含源程序代码,t=0:0.02:2047*0.02; st=(square(2*pi*10*(t+0.01),20)+1)/2; nt=2*rand(1,2048)-1; ft=st+nt; dt=0.02; x=ft; a,b=xcorr(x,biased); subplot(211); plot(t,ft); grid on subplot(212); plot(b*dt,a); grid on,已知：混有噪声n(t)的脉冲信号f(t)，f(t)=s(t)+n(t)，其中,n(t)为幅值在-1,1区间的白噪声。,计算自相关检测,输出信号，并作图。采样点数 2048，采频自定。,上节课内容回顾,噪声分为白噪声和低频噪声两类。 噪声一般是随机信号，噪声样本之间不具有相关性。 有用信号是可以重复的，信号样本具有相关性。 通过窄带滤波或相关检测（主要是互相关检测的锁定放大器）可以提高信噪比，从被噪声淹没的测试信号中提取出有用信号。,窄带滤波法和锁定放大器 的特点和不足,窄带滤波法 带宽太窄：将噪声滤去的同时也造成信号的失真。 带宽太宽：带宽内的强干扰信号无法去除，噪声抑制作用不明显。 锁定放大器 只适用于正弦波、方波等周期信号 输出为直流信号，无法得到被测信号的波形 取样积分器可以克服上述缺点，将深埋在噪声中的信号波形恢复出来。,第六章 微弱信号检测技术,6.1 随机信号分析主要概念回顾 6.2 噪声的基本知识 6.3 窄带滤波法（了解） 6.4 同步累积法（了解） 6.5 同步相干检测（重点内容） 6.6 取样积分（重点内容） 6.7 屏蔽与接地技术（自学）,6.6 取样积分,方法 利用取样积分器（也称信号平均器），将待测的重复信号逐点多次取样平均并进行同步累积，从而达到从噪声中恢复信号波形的仪器设备。 应用： 检测某一复杂的宽带周期信号的波形 分类： 单点信号平均器：对信号每周取样并积分一次，经过多次取样积分得到该信号的波形或特定点的幅值。采用变换取样的工作方式。又叫单点取样积分器或Boxcar积分器， 多点信号平均器：在信号的每个周期内，对信号进行多点取样和平均，经过多次取样和平均获得整个被测信号的波形，它采用实时取样的工作方式。类似与同步累积法。,6.6 取样积分,一、实时取样与变换取样 二、单点信号平均器（重点） 1、工作原理 2、实现电路及工作方式（定点式和扫描式） 3、应用举例 三、多点信号平均器,一、实时取样和变换取样,1、实时取样 在取样信号的一次有效持续时间内，不失真地取出复现原信号所必需地全部样品。 取样脉冲序列p(t)从连续信号f(t)中抽取一系列的离散样值，得到取样信号：,取样频率大于或等于信号最高频率的2倍,2、变换取样,在被测信号Ui的每个信号周期取出一个样品点。 取样间隔为T t 。 将取出的样品重新组成一个新信号Uo， Uo 和Ui相似，但在时间刻度上比原来信号增长了6倍。 变换取样后信号复现时间为：n(T t ), n=0,1,2, 样本点序号,2、变换取样：,若每Nf个周期取一个样本点，则变换取样后的复现时间：,Nf是被取样信号与取样脉冲频率之比，称为分频比。,样本组成的复现信号与原信号相比，时间刻度发生了变换，复现信号周期加长：,一个或多个信号周期上，只能取一个样本，所以要取出完整的波形，必须对重复出现的信号进行多次取样。 为使信号保持原来的形状，样品的取出方法还必须均匀散布在整个信号周期内的各个部位，即需要取样点在整个周期内移动（靠步进值t0完成）,变换取样特点：,变换取样过程是一个同步累积的过程，可提高信噪比。 仅在取样的局部装置要求宽频带，而在样本处理部分则是低频信号，大大降低了对整个系统的频率特性要求。,变换取样的应用范围： 可重复信号检测：由于要在多个周期内采样，所以不适合非重复性的单次信号。 高频信号检测：若用于低频信号，则累积时间很长。,二、 单点取样积分器,1、工作原理 如果信号是重复的，产生时刻是已知的，就可采样取样积分器来恢复、记录深埋在噪声中的微弱信号 下面是一个简单取样积分器的基本原理框图：,1、工作原理,组成： 信号通道：宽带低噪声放大器 参考通道：提供宽度为Tg（门宽）与信号同步的步进取样脉冲 门积分器：包括用作乘法器的取样门开关K和对乘法器的结果进行积分和平均的积分器。 工作过程 在取样脉冲期间，K打开，信号被引入积分器对电容充电，电容电压上升。 其它时间，K断开，信号保持在电容器上。 输出波形阶梯上升。 对某固定点（变换取样步进值t 为零定点工作方式），经过多次取样和积分，输出最终趋近于信号在该点的稳定值。,1、工作原理,与锁定放大器的对比： 二者都采用同步相干检测原理，具有很强的抑制噪声的能力。 参考信号仅在取样门脉冲持续时间内与被测信号相关，每周期的相乘时间很短，而锁定放大器则是在整个测试时间内进行相关。 取样积分器被测信号与参考信号的相移可以缓慢变化，而锁相放大器相移固定。,2、实现电路及工作方式,取样门由场效应管模拟开关实现；电阻R、电容C和放大器A2构成积分器；放大器A1、A2、A3组成差值取样环路 门宽控制决定取样脉冲的宽度Tg 比较与延时器通过比较时基电压和扫描电压，产生定点采样脉冲（t 0）或延时采样脉冲（t 0） 。 工作方式：定点式和扫描式（下面具体介绍）,(1) 定点工作方式,被测信号(图a)通过触发整形，产生周期为T的触发脉冲，图b 触发脉冲通过时基发生器产生周期为Tb的锯齿波时基电压，图c实线。 Tb T 通过比较时基电压和定点延迟电压(图c虚线)，比较器输出方波，图d 图d方波上升沿触发产生取样脉冲(图e)，其周期为T，宽度Tg由门宽控制器决定。 取样位置Td由延时电压而定，以获取感兴趣的信号点的幅值。,(1) 定点工作方式,门脉冲到来时，取样门接通，对输入信号的某一瞬时值进行取样，并通过积分器进行累积平均。 门脉冲结束，取样门关闭，积分电容C上的电压保持到下一个门脉冲再次取样。 经过多次累积，直到输出信号等于被测信号某一瞬时值为止。 和相关检测类似，利用了信号的相关性和噪声的随机性。 与锁定放大器不同，定点工作方式下的取样积分器测量重复信号任意一点的振幅，而不是基波振幅。,取样积分器的信号平均方式,信号平均方式按照硬件电路的不同可分为： 线性平均：m次信号值线性累加，再平均 指数平均：m次信号值按指数规律累加,前面原理图中为指数规律平均，为了简化，我们将指数平均近似为线性平均来讨论信噪改善比。,定点取样积分的输出信号（线性平均方式）,设周期为T的信号和噪声组成的混合信号为：,若以Tk为起点，每个T秒对信号的一个特定点取样一次，则第i次样品值为：,经过m次取样，信号按照线性规律累加，噪声按照均方和累加：,为每次取样噪声有效值的均值,经过m次取样后，信号的信噪比为：,信噪改善比为：,累积次数m越大，信号改善比提高,定点取样积分信噪改善比（线性平均方式）,(2) 扫描工作方式,图a、b、c含义与定点工作方式相同 图d中慢扫描电压从0到时基峰值缓慢变化 图e比较器输出矩形脉冲宽度随扫描电压增加而增大 以图e矩形脉冲下降沿触发，生成宽度为Tg，周期为T+ t的取样脉冲，图f,扫描方式主要参数：,当Tg= t ，如果在一个周期内取样，表示每隔t取样一次，取样时间为Tg = t ，取样脉冲一个挨着一个，取样门全通。,当Tg= nst ，也表示每隔t取样一次，但取样时间为Tg = nst ，如果仍在一个周期内表示取样，则取样脉冲互相重叠，相当于每个取样点在整个扫描过程中共取样ns次,采样脉冲门宽Tg 、脉冲步进值t 与信噪改善比,扫描方式主要参数：,目前仪器扫描时间一般为0.01s105s，扫描电压变化缓慢，则t非常小，所以ns较大，即在扫描取样积分时，对不同周期内某一固定点的信号经过ns次取样累积，从而提高信噪比。,对线性平均方式：,Tg取值范围：根据采样定理，不能过大，否则会导致信号失真，一般取,目前仪器取样积分器Tg在1ns50ms范围内可调。,扫描方式小结：,在整个扫描时间Ts内，取样点在输入波形上的取样位置，从左向右以步进值t移动。 经过nt= Ts /T次取样，得到形状与输入信号相似，而时间上大大放慢了的输出波形。 对整个系统的频率特性要求降低，适合于检测高频信号。 整个波形的信噪改善比是以波形上每“点”的信噪改善比为基础。在线性平均时，若对波形上每点进行ns次采样，则整个波形上的信噪改善比为：,3、应用举例,氮激光器激光脉冲波形检测系统 频率为10100Hz的高压脉冲加到阴极，在放电作用下使流动氮发生粒子反转，引起激光辐射。 发射的激光脉冲宽度为415ns，波长337.1nm,氮激光器激光脉冲波形检测系统,测量数据包括： 输出脉冲波形，脉冲宽度，放电时间与阴极电压和氮气气压之间的关系 由于激光脉冲宽度很窄，一般的测试方法不能满足要求，故采用单点取样积分器器(Boxcar平均器)实现上述测量。 基本原理为： 触发电路同时激励氮激光管和取样积分器。 取样积分器采样扫描方式工作，隔多个激光脉冲周期采一个点，并进行累积和扫描。 将信号进行复现，获得激光脉冲的图形如图b,三. 多点信号平均器,采用实时取样方式 在信号的一个周期内取样多次，并逐点存储在相应的存储器中；将多个周期的取样结果进行累积、平均，得到被测信号的一个周期的全部信息。 多点信号平均器： 模拟式：由存储电容组成 数字式：基于计算机的数字存储器 多点信号平均器等效于大量单点取样积分器工作在定点工作方式，在不同初始延时情况下并联使用。提高了测试效率,1、模拟式多点平均器工作原理,取样时间控制器产生取样脉冲，使各取样开关依次打开，对信号波形上各点顺次取样积分。 经过多次取样积分，得到纯信号输出。,2、数字式多点平均器工作原理,可以同时接受两路输入信号A、B 输入信号经过多路设备和采样保持器后，经过A/D后输入存储器，运算部分把本次信号和上次信号同步相加。 从放大器引出信号到为处理器，产生一系列触发信号控制多路设备、取样保持、A/D、运算存储、D/A、特性发生器,数字式多点平均器工作原理,对任一存储器，由于每次扫描取样获得的数据总是从同样的预定波形段获得，所以每个地址的存储信号随它的扫描次数而增强。而随机噪声则倾向于自相减弱。 信号累加方式有：线性累加平均、线性归一化平均和指数平均 特性发生器：由CPU、时基电压与控制电路控制，完成A-B、A/B、A、B输出。 为提高信噪比，可增加扫描次数，但受测量时间和存储器容量限制。如M4023多点平均器扫描范围1999999次，则对线性累加器：,6.7 微弱信号检测中的屏蔽 与接地技术,要求： 看懂原理 记住结论,