微弱信号检测的原理和方法

,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光电信号处理,微弱信号检测的基本原理与方法,1,第三章微弱信号检测的基本原理与方法,3.1,低噪声电子设计的适用范围,3.2,窄带滤波法,3.3,双路消噪法,3.4,同步累积法,3.5,锁定接收法,3.6,取样积分法,(Boxcar,方法,),3.7,相关检测法,3.8,光子计数技术,3.9,计算机处理方法,3.10,常用弱检仪器,2,3.1,低噪声电子设计的适用范围,1,低噪声电子设计的适用范围,低噪声电子设计的方法：,使用的前提：是要求在电信号处理的输入端有足够大的信噪比，处理的结果是使信噪比不至于变坏。,如果在信号处理系统的输入端，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，仅用低噪声电子设计的方法就不行了。,这时，必须根据信号和噪声的不同特点，采用相应的方法将信号与噪声分离。,这就是微弱信号检测的方法,。,3,2,微弱信号检测的途径,微弱信号检测的途径：,一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；,二是研制适合弱信号检测的原理，并能满足特殊需要的器件，,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。,4,3,信噪比改善（,SNIR,）,在介绍微弱信号检测的一般方法之前，,先介绍信噪比改善（,SNIR,）的定义；,信噪比改善（,SNIR,）是衡量弱信号检测仪器的一项重要性能指标。,信噪比改善的定义为：,5,从数学表达式看，,SNIR,是噪声系数,NF,的倒数，但实质上两者是有差别的。,噪声系数,NF,1,。,这个结论的前提：假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的带宽；,实际上输入噪声的带宽要大于放大系统的带宽，因而噪声系数,NF,便有可能要小于,1,，,因此，有必要给出信噪比改善的概念。,6,信噪比改善（,SNIR,）,E,ni,是位于信号源处放大系统的等效输入噪声，,假定,E,ni,是白噪声,，,其功率谱密度为常数：,f,in,为输入噪声的带宽。,下面导出白噪声情况下,SNIR,的表示式：,7,那么输出端噪声：,为放大系统的增益。,得：,是放大系统对信号的功率增益，,取中频区最大值，即,所以：,8,而 即系统的等效噪声带宽。,故可得：,因此，放大系统的信噪比改善等于等效输入噪声的带宽,f,in,与系统的等效噪声带宽,f,n,之比。,因此，减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善,。,9,如有一信号,掩埋在噪声中,，即输入信噪比：,那么只要检测放大系统的等效噪声带宽很小，,使,f,n,f,ni,，就可能将此信号检测出来。,例如：若 而,f,in,=100KHz,，,f,n,=1KHz,。,则,信噪比改善,输出端信噪比,由此可见，输出端信噪比得到改善，,信号远大于噪声，可以直接测量出来。,10,3.2,窄带滤波法,原理：,利用信号的功率谱密度较窄而噪声的功率谱相对很宽的特点,方法：,用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来。,由于窄带通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的提高。,11,白噪声：当其通过一个电压传输系数为,K,v,，,带宽为,B=,f,2,-,f,1,的系统后，,则输出噪声为,：,由上式可以看出：,噪声输出总功率与系统的带宽成正比，,通过减小系统带宽来减小输出的白噪声功率。,12,1/,f,噪声的情况：,其输出噪声即由,1/,f,噪声产生的输出噪声功率为,：,由上式可见，通过减小通频带,B,来减小输出端的,1/,f,噪声功率。,13,功率谱密度曲线：,有限正弦信号,白噪声,由图看出：使用了窄带通滤波器后，,如果,B,选得很窄，则输出信噪比还能更大,一些，,带通滤波器在白噪声条件下的信噪比改善：,14,输出端信号功率,P,so,：,输出端噪声功率,P,no:,即：,也就是：,f,n,为窄带通滤波器的等效噪声带宽，,f,ni,为输入噪声的带宽，,即使是白噪声，它也有一个带宽，实际上并不是到无穷大。,15,窄带通滤波器的实现方式很多：,常见的有双,T,选频，,LC,调谐，晶体窄带滤波器等，其中双,T,选频可以做到相对带宽等于千分之几左右（,f,0,为带通滤波器的中心频率）,晶体窄带滤波器可以做到万分之几左右。,即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，,因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。,更好的方法是用锁定放大器和取样积分器，这在后面再作讨论。,16,检测单次信号：,窄带滤波法不仅适用于周期性正弦信号波形的复现，而且也能用来检测单次信号是否存在。,原理：由于一个单次信号（例如单个脉冲信号或有限正弦波）的绝大部分频率分量集中在频谱密度曲线基频所在的主峰内。,主峰的频宽,f,与单次信号的持续时间,t,之间满足下述关系：,17,为了检测单次信号，要求滤波器的带宽,B,大于单次信号的频宽，即,：,因为： 即：,上式说明了信噪比的改善与信号的持续时间,t,的关系，,t,愈长，则信噪比的改善就愈大。,也就是说，窄带滤波法可以用来检测持续时间较长的单次信号。,18,3.3,双路消噪法,原理：,利用两个通道对输入信号进行不同的处理，然后设法消去共同的噪声，最后得到有用的信号。,特点：,这种方法只能用来检测微弱信号是否存在，并不能复现波形。,19,双路消噪法的原理框图,设输入信号频率为,f,0,的正弦波，并混有强的噪声，将其送入上下两个通道。,进入上通道的信号经过放大器后，再经过一个中心频率为,f,0,的窄带带通滤波器，变成正弦波加窄带噪声，这个信号通过正向检波积分器后输出一个正极性直流电压，上面叠加了随机起伏的成分。,20,进入下通道的信号经过放大器后，再经过一个中心频率为,f,0,的带阻滤波器（或称陷波器），于是正弦波信号被滤掉，剩下噪声；,噪声通过负向检波积分器后，输出一个在某个负电平上下随机起伏的电压量。,上下两通道各自检波积分后的输出同时送给一个加法器，于是正负极性的噪声电平要抵消一部分，剩下很小的起伏电压，,因而输出信噪比得到提高。,21,加法器出来的信号，最后再通过一个阈电路进行计数。,加法器通常做成可调，使得无正弦波而仅有噪声时，加法器的输出略为正，但是不超过阈电路的阈值电平，因而计数器通常无计数。但考虑到加法器输出的电压有起伏，所以，有时会有高于阈值的脉冲电压通过阈电路产生本底计数，但由于噪声的统计性，本底计数的次数在某个一定的时间内,t,是个恒定值，可以通过实验测出这个时间,t,。,如果输入信号中有正弦波存在，那么在这个时间,t,内的计数就会增加。,所以，通过观察,t,时间内计数的变化，就可以判断正弦波信号是否存在。,22,3.4,同步累积法,基本原理：,利用信号的重复性和噪声的随机性，对信号重复测量多次，使信号同相地累积起来。,噪声则无法同相累积，使信噪比得到改善。,测量次数越多，则信噪比的改善越明显。,23,若测量次数为,n,，则累积的信号：,其中 为累积信号的平均值，,另一方面，重复测量,n,次后，根据各次噪声的不相关性，则累积的噪声等于：,式中最后的,E,n,为累积噪声的均方根值。,24,得到信噪比为,:,所以，测量次数,n,越大，则信噪比的改善越明显。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。,输出信噪比与输入信噪比之间的关系,:,即,:,由此可得,:,25,根据输入信噪比的大小以及对输出信噪比的数值要求，可计算重复测量的次数,n,。,例如，若已知输入信噪比 ，,要求输出信噪比,则,测量次数,:,26,同步累积器的原理框图,同步累积器的原理框图如图所示,:,其中,V,1,（,t,）为输入信号，,V,2,（,t,）为与,V,1,（,t,）周期相同的参考信号，,同步开关受,V,2,（,t,）产生的控制信号控制，,保证,V,1,（,t,）在累积器中同相地累积起来。,27,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,）,信号应为周期信号,（,2,）,有适当的累积器,（,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。,28,3.5,锁定接收法,锁定接收法的原理框图如下,:,V,1,(t),为输入信号，,V,2,(t),为参考信号，,这两个信号同时输入乘法器进行乘法运算，,再经过积分器，得到输出信号,V,0,(t),。,29,1,考虑最简单的情况,:,信号中没有含噪声，只有信号，且信号为正弦信号,则,两信号相乘后，输出：,参考信号为：,且,30,两信号相乘后，通过积分器进行积分，,假定积分器的积分时间常数为,T,，而且积分时间也取,T,，,则：,由上式可见，锁定接收法最后得到的是直流输出信号，而且这个直流信号的大小和两信号的相位有关。,31,2,只有噪声输入时，,即：,其中幅度,A(t),，相角 均为随机变量，,V,n1,(t),代表了噪声中的频率为,的分量，,则此时锁定放大器的输出为：,当积分时间,T,时，上式中两项积分均趋于零。,故,V,n0,(t)=0,。,32,当噪声的频率不为,时，亦有同样结果。,这表明当积分时间很大时，锁定放大器对噪声的抑制能力很强。,在实际中，由于,T,不可能做得很大，或者积分器用低通滤波器来代替，这时锁定放大器的输出的噪声不为零，而在零附近起伏变化。,33,3.6,取样积分法,(Boxcar,方法,),若一个十分微弱的周期性信号被背景噪声所掩埋，如何从背景噪声中检出这周期性的信号呢？,如图所示，是被噪声所淹没了的周期信号。,Boxcar,：,形象地描述了取样积分法，,取样积分又称为,Boxcar,方法,1.,工作原理,34,实现取样积分法,(Boxcar,方法,),的条件：,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。,35,如果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，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。,36,Boxcar,法原理框图,:,这种取样积分法，只能恢复周期性信号某一点的幅值，故称为定点取样工作模式。,37,取样积分器的分类：,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，即采取扫描工作方式。,取样积分器可作如下简单分类：,取样积分器,38,2,取样积分器与同步积分的异同点,取样积分,和,同步累积,两者的异同点,:,取样积分分为两种：,单点取样积分：只是对信号的某一点进行同步累积，从而加强信号而噪声相互消除，这称为单点取样积分；,多点取样积分器，多点取样积分则可恢复原微弱信号的的波形。,同步累积法只是使信号同相地累积起来，,同步积分器是在信号持续的,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。,39,3,信噪比改善,计算取样积分器的信噪比改善：,输入端信噪比：,输出端经过,m,次取样并积分后，,得到的信号是：,V,s0,=mV,si,，,噪声是随机的，且其均值为零，,经过,m,次取样并积分后，得到的是,m,次功率相加，,即：,因此，输出端信噪比是：,可得,信噪比改善,：,SNIR= m,。,40,4,扫描取样积分器,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：,当取样脉冲对准,t,1,位置取样积分,m,次后，将取样脉冲在时间轴上向右移动,t,（一般来说,tT,g,）,对准,t,2,位置再取样,m,次，然后又向右移动,t,，对准,t,3,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，,41,若,T,g,/,t = n,s,，即当移动,n,s,次后，正好是一个门宽,T,g,的间隔。,可以证明，在线性累积扫描工作方式的取样积分器中，,n,s,是用来计算信噪比改善的测量次数，即：,SNIR = n,s,实际上这里的,n,s,即前述的,m,，对准某一点取样的,m,次，是通过重迭扫描来实现的。,42,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,i,倍的波形,;,因此这种取样方式又称之为变换取样，波形如图,:,43,5,多点信号平均器,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,n,i,T,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。,44,多点信号平均器由多个定点信号平均器构成。在有效的测量时间内，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,;,多点信号平均器是实时取样系统，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。,45,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,:,46,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,Boxacr,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，所以可节省测量时间，,在获得同样,SNIR,的情况下多点信号平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。因此，可以节省大量时间。,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,Boxacr,所不能比拟的。,47,3.7,相关检测法,1,引言,为了将被噪声所淹没的信号检测出来，,研究各种信号及噪声的规律。,原理：,信号,与,信号的延时,相乘后累加的结果可以区别于,信号,与,噪声的延时,相乘后累加的的结果，从而提出了,“,相关,”,的概念。,由于相关的概念涉及信号的能量及功率，因此先给出功率信号和能量信号的定义。,48,2,能量信号与功率信号,用时间函数,f,（,t,）表示信号，,在一定的时间间隔里，,如,-T/2,，,T/2,；,把信号,f,（,t,）作用于,1,的电阻上，,电阻所消耗的能量为：,如果 为有限值，,就称信号,f,（,t,）为能量信号，,E,就是,f,（,t,）所具有的能量。,49,如果,则可以求信号,f,（,t,）的平均功率,P,，,若,P,为有限值，且不为零，则称,f,（,t,）为功率信号。,P,称为信号,f,（,t,）的平均功率。,如果,f,（,t,）为实函数，则上述各式中,50,3,相关函数,相关函数分为互相关函数和自相关函数，,根据能量信号和功率信号分别定义。,如果,x,（,t,）和,y,（,t,）是能量信号，,则,x,（,t,）和,y,（,t,）的互相关函数定义为：,互相关函数是两信号之间时差,的函数。*表示共轭，,如果,x,（,t,）、,y,（,t,）是实函数，可将共轭号*去掉。,或,51,如果,x,（,t,）与,y,（,t,）是同一信号，,即,x,（,t,）,=,y,（,t,），,此时互相关函数,R,xy,（,）就称为自相关函数，,并简记作,R,（,）。,52,如果,x,（,t,）、,y,（,t,）是功率信号，,则,x,（,t,）与,y,（,t,）的互相关函数定义为,：,同样，如果是实信号，,*,号可以去掉。,53,4.,相关检测原理,原理：信号在时间是上相关的，,噪声在时间上是不相关的，,根据这两种不同的相关特性，,可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来，这是微弱信号检测的一种有效方法。,54,根据,Wiener-khinthine,定理：,或,F,-1,式中,S,x,（,）是,x,（,t,）的功率谱密度函数。,即：,x,（,t,）的自相关函数,R,xx,（,）,和功率谱密度函数,S,x,（,）,是一对付里叶变换。,55,自相关函数的计算方法：,根据,可以求出一些常用信号及随机过程的自相关函数。,例：,正弦波：设,则根据定义式,可得,:,由此可见，周期信号的自相关函数仍为周期信号，,且周期不变,56,例：,白噪声,所谓白噪声，即其功率谱密度与频率无关，为一常数，白噪声的功率谱密度,根据,Wiener-khinthine,定理，白噪声的自相关函数,白噪声的自相关函数只在,=0,时存在，随着,的增大，衰减很快。,57,带通白噪声,实际的白噪声也都是在一定带宽之内的白噪声，这种一定带宽内的白噪声可定义其功率谱密度为：,这种带通白噪声的自相关函数,:,58,如果两个信号互相完全没有关系，如信号与噪声,则其互相关函数将为一个常数，并且等于两个信号平均值的乘积；,若其中一个的平均值为零（如噪声）则它们的互相关函数,R,xy,（,）将处处为零，即完全不相关。,如果两个信号是具有相同的基波频率的周期函数，则它们的互相关函数将保存它们基波频率以及两者所共有的谐波，而相位则为两个原信号相应频率成份的相位差。,59,5,相关检测,根据相关函数的性质，可以利用乘法器，延时器及积分器进行相关运算，从而将周期信号从噪声中检测出来，这就是所谓的,“,相关检测,”,。,相关检测可分为自相关检测与互相关检测。,60,S,i,(t):,输入端信号；,n,i,(t):,输入端噪声,;,输入端：,X(t)= S,i,(t)+ n,i,(t),信号,S,i,（,t,）被噪声,n,i,（,t,）所淹没，,通过延时器后在乘法器实现乘法运算,:,x(t),x(t,-,),（,1,）自相关检测,自相关检测的原理框图,61,通过积分器输出得到,:,=,R,sn,（,）、,R,ns,（,）分别表示信号和噪声的互相关函数，,由于信号与噪声不相关，故几乎为零，,R,nn,（,）代表噪声的自相关函数，随着积分时间的适当延长，,R,nn,（,）也很快趋于零。,因此，经过不太长的时间，积分器输出只会有一项,R,ss,（,），故,:,这样，便可顺利地将淹没在噪声中的信号检测出来。,62,例如，被检测信号为一余弦信号时，,设,则,:,相应的自相关检测输出波形如图所示,:,R,ss,(,),为信号的自相关函数，与信号同频的余弦函数，,R,nn,(,),为噪声自相关函数，随,的增加，衰减得很快，,R,xx,(,),为输出端最初的波形，仍混有噪声的干扰。,63,（,2,）互相关检测,互相关检测的原理框图如图所示,:,输入乘法器的是被噪声,n,i,(t),所淹没了的信号,S,i,(t),即,x(t)=n,i,(t)+S,i,(t),和被延时了的与被检测信号,S,i,(t),同频率的参考信号,y(t),，乘法器的输出为,:,64,R,ny,(,),是噪声与参考信号的互相关函数,R,sy,(,),信号与参考信号的互相关函数，,参考信号和噪声是不相关的，,R,ny,(,),随积分时间,T,的延长而趋于零，,参考信号和信号是相关的，随积分时间,T,的延长而趋于某一函数值,R,sy,(,),。,65,比较互相关输出和自相关输出：,互相关检测噪声有关项要少,2,项，故比自相关检测抑制噪声的能力强。,但互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号,y,（,t,），,当被测信号,S,i,（,t,）未知时，要取得与,S,i,（,t,）同频率的信号在某些情况下是困难的。要做大量试验工作，才能确定，这时一般很难采用互相关检测。,锁定放大器就是利用互相关检测原理制成的弱检仪器，因此锁定放大器可以看成是一个互相关检测仪。,66,3.8,光子计数技术,光子计数技术用于弱光的检测，,当被探测的光辐射弱到可以区分出每个光子到达探测器时所产生的电流脉冲时，必须采用光子计数技术进行检测。,目前，光子计数技术只适用于测量大约每秒发射,108,个光子以内的弱光信号。,相当于光功率为,10,-19,W10,-14,W,67,3.9,计算机处理方法,用硬件电路实现的某种电路功能，也可以用软件来实现。,例如，用硬件电路来实现一个函数发生器，产生一定的函数波形，这个功能也可以利用通用计算机，通过一个专用子程序来实现产生这个函数的波形。,用硬件和软件实现各优缺点，要根据具体情况确定。,68,同样的道理，被噪声所淹没了的弱信号，也可以利用计算机进行一定的处理，如平滑、数字滤波、快速付里叶变换等等，但计算机处理的前提是：先要将弱信号检测出来，再进行,A/D,转换后，才能进行处理。,一般来说，微弱信号必须先经过专门的弱检仪器处理后，再送到计算机进行最后的处理，这已经是一个专门的学科分支，因此，希望大家在我们课程的基础上，把后一部分完善起来，即微弱信号检测的计算机处理方法。,69,3.10,常用弱检仪器,弱信号检测是十分有用的技术科学，才,20,多年的历史，在各学科领域正在发挥起巨大的作用，如表面科学、生物医学、弱电磁领域，激光研究、激光与物质的相互作用。,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,）,70,目前弱信号检测工作的研究方向，主要为如下几个方面：,解决弱单次信号的捕获；,少量的累积平均而极大改善信噪比；,将锁相、平均、光子计数于一体的高性能多功能弱检仪器的研究；,单一的专门化的弱检仪器的研究；,实时在线的生产检测仪器的研究。,即微弱信号检测的计算机处理方法。,71,请看下一章 锁定放大器,72,