第1章 噪声基础知识

IN
I
i 1
m
i2 N
m
式中
i IN ——第i次测量时的噪声值；
m——测量的总次数（应足够大）；
IN
——有效噪声电压。
1-1 噪声的基本性质
二、噪声的度量
2．噪声等效功率（NEP）
输入信息 输入能量 输出信息 传感器 输出能量
从物理角度看，任何传感器必须输入一定的能量，才能 将输入的信息变换成所需的输出信息。当然输出信息时，也 同时输出能量。例如，光电压传感器要能输出电压信号，就 必须有光能输入，入射光强时，光能输入多，因此输出的电 压信号大；同样，光电流传感器，必须输入一定的光能量， 才能有电流信号输出。
（2）大负载切断时，造成的超压；
（3）非线性功率因子负载，引起的正弦波失真； （4）电源频率与相位漂移； （5）配电盘之前的输电线受外界的影响而引入的长模噪声； （6）配电盘之后的其它用电设备引入的共模噪声；
（7）瞬变的尖峰干扰。
1-1 噪声的基本性质
二、噪声的度量 1．有效噪声水平
f (t ) S (t ) N (t )
微弱信号检测学
理学院物理学部电子科学系 主讲：房慧敏
联系方式：E-mail:fanghm@mail.buct.edu.cn
参考教材

[1]林理忠,宋敏. 微弱信号检测学导论. 北京： 中国计量出版社，1996 [2] 陈佳圭 . 微弱信号检测 . 北京：中央广播电 视大学出版社，1987 [3] 曾庆勇 . 微弱信号检测 . 杭州：浙江大学出 版社，1994 [4]戴逸松. 微弱信号检测方法及仪器. 北京： 国防工业出版社，1994 [5]刘俊,张斌珍. 微弱信号检测技术. 北京：电 子工业出版社，2005 [6]高晋占. 微弱信号检测. 北京：清华大学出 版社，2010
干扰 广义噪声 噪声（狭义）
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1-1 噪声的基本性质
一、噪声的定义和种类
干扰：是指非被测信号或非测量系统所引起的噪声，是来自
于外界的影响而造成的非信号测量值。包括： （1）来自于宇宙：如宇宙射线、宇宙电磁干扰； （ 2 ）人为的其它器件：开关的电火花、汽车的火花塞的电 火花、强广播、强电视信号（理工大学附近的北京电视台）
视 网 膜 心 腹 磁 磁 肺磁
脑
10-11 10-9 10-7 10-5 地磁起伏 图0-1 人体磁信号
10-3
0-2 微弱信号检测及其当前的研究成效
二、应用成效
表0-1 微弱检测的灵敏度提高
电压
常规 检测 微弱 检测 提高 1μ V 0.1nV 104
电流
10-10A 10-14A 104
温度
0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效
一、微弱信号检测
微弱信号检测（Weak Signal Detection，简称WSD） 是测量技术中的综合技术和尖端领域，由于它能测量传统观 念认为不能测到的微弱量，所以获得了迅速发展和普遍重视。 对于众多的微弱量（如弱光、小位移、微振动、微温差、 小电容、弱磁、弱声等），一般都通过各种传感器作非电量 转换，使被检测量转变成电学量（如电压或电流）。当被检 测量非常微弱时，被检测量本身的涨落、传感器的噪声及测 量仪表的噪声，表现出来的总效果是，有用的被测信号被大 量的噪声和干扰所淹没，使测量受到限制。
第0 章
本章主要内容：
绪论
0-1 测量技术的重要性及当前发展方向 0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效
0-3 本课程主要内容
0-4 考核方式及成绩评定
0-1
测量技术的重要性及当前发展方向
一、测量技术的重要性
1 测量：是指对被检测对象（宇宙内万物）的物理、 化学、工程技术等参量作数值测定工作。 2 测量与科学技术的关系 测量在生活、生产、科研、国防等各方面，都是必不可少的。 生活中：称斤量尺； 生产中：依靠测量，保证产品的质量； 科研中：先进的测量技术，能帮助揭示新的客观规律； 现代国防中：只有利用先进的测量方法，才能进行侦察和制导。 测量技术的进步将推动科技进步。当然，测量技术是科技 的一部分，是被科技发展要求所推动，被其它科技的成就 所推进。
0-3
一、教学内容
5. 弱离散信号的检测
本课程主要内容
离散信号检测的特点；光子计数器的结构；光子计数器的使 用与应用。 6. 微弱并行检测技术 概述；多道探测器件；光电并行检测器件的性能与特点； OMA（光学多道分析仪）系统；OMA的应用。
7. 数字弱信号检测的基本概念
误差理论简介；平滑与拟合；数字图像处理简介；线性、时 不变、离散时间系统的基本概念；几种数字滤波器；离散傅 氏变换与快速傅氏变换的基本概念。
10-4K 10--7K 103
电容
0.1 pF 10-5pF 104
信噪比 改善 10
105 104
分析：一些基本量的测量精度，在利用WSD技术后，一 般都提高了103—104。
0-3
本课程主要内容
一、教学内容 1. 噪声基础知识 噪声基本性质；噪声统计性质；微弱信号检测方法概述。 2. 放大器的噪声与屏蔽接地技术 噪声系数、噪声因子和其它噪声参量；低噪声放大器匹配网 络与变压器特性；屏蔽、接地与布线。 3．选频放大测量与相干检测 选频检测的局限性与相干检测原理；相敏检波器电路；非周 期移项器；锁相放大器及其主要性能指标；锁相放大器的使 用与应用。 4. 积累平均原理与技术 根号m法则与取样定理；取样积分器；参数图解选择法； Boxcar信噪比改善的数学讨论；数字多点平均器。
对于一个稳定的信号，噪声使测量值在信号值上、下起 伏，即噪声有正、有负。并且大量的起伏值集中在一定的范 围内，只有少数机会，会测得偏离信号很大的值。好的测量
系统，集中的起伏值范围小，即噪声小。因此，噪声是可度
量的。因为多数噪声的算术平均值为零，故不能用噪声的算 术平均值来度量，而只能用噪声的均方根值来度量，这个值
0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效
二、应用成效
1．促进了表面科学的发展 表 面 ： 是 指 固 体 表 面 1∽10 原 子 厚 的 薄 层 （ 10∽100Å ） （1Å=10-10m）. 这一薄层内的原子除受自身的本体原子作用外，还受到 外界环境的影响，结果其结构、成分、形貌和性质与体内原 子有所不同，因此对它进行研究将会获得十分重要的信息。 目前，研究表面的手段，多数是将电子、离子、光子入 射到表面，使其与表面原子“相互作用”，然后分析其出射 电子、离子或光子的状况，从而取得相关信息。由于出射的 离子数，一般是不多的，具有特定特征的出射离子数更少， 因此，绝大多数情况，都必须利用WSD。
0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效
一、微弱信号检测
1928年，约翰逊（Johnson）对热骚动电子运动产生的噪 声进行研究，之后，大量科学工作者对信号的检测作出了重 要贡献； 1962 年，美国 PARC 第一台相干检测的锁相放大器问世， 使检测的信噪比突然提高到103； 1968年，从大量二次电子的背景中测得Auger电子； 20 世纪 80 年代初，在特定的条件下，可使 <1nV 的信号获得满 度输出，信噪比提高到106。 粗略估计，平均每5-6年，测量极限提高一个数量级。因 此，过去认为不可测量的微观现象或弱相互作用所体现的弱 信号，现在已成为可能。这极大地推动了物理学、化学、天 文学、生物学、医学以及广泛地工程技术领域等学科的发展， 微弱信号检测，也就成为一门被人重视的、新兴的分支学科。
称为有效噪声水平。
1-1 噪声的基本性质
二、噪声的度量
1．有效噪声水平 对于电压测量系统，其有效噪声电压为：
i2 V N i 1 m
VN
m
i 式中 VN ——第i次测量时的噪声值；
m——测量的总次数（应足够大）；
VN ——有效噪声电压。
1-1 噪声的基本性质
二、噪声的度量
1．有效噪声水平 对于电流测量系统，其有效噪声电流为：
0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效
一、微弱信号检测
微弱信号检测的目的是利用电子学、信息论、物理学的 方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被检测信号的特点 （如信号频谱、相干性等），然后对被噪声覆盖的弱信号进 行提取和测量。它的任务是发展微弱信号检测的理论，探索 新的方法和原理，研制新的检测设备以及在各学科领域中的 推广应用。 微弱信号检测学，就是研究从噪声中提取信息的方法及 技术的学科。由于目前对电子噪声研究较成功，微弱信号检 测与电子技术联系密切，发展较快。与其它方面的联系，尚 大有发展余地。
测量精度：精度是一个测量系统、一种测量方法优劣的重要评 判指标。测量精度的提高，意味着测量灵敏度的提高和测量 动态范围的扩大。测量灵敏度是指单位输入下的输出，其提 高，可获得更准确的实验数据、生产一些质量更高的产品。 测量动态范围的扩大是因为可检测下限下降了，这往往能促 使一些新现象的发现和应用。例如，俄歇谱的发现，如果没 有测量微弱二次电子的能力，这是不可能的。
0-2 微弱信号检测及其当前的研究成效
二、应用成效
3．弱磁测量
当磁信号低于地磁水平时，必须采用微弱信号检测手段。 检测弱磁场目前比较常用的是磁通门磁力计（其噪声水平是 10-11—10-12T量级），但是利用超导量子干涉器件（SQUID） 完成的磁力计，可以检测到更弱的磁场（其噪声范围是1014T量级）。
0-1
测量技术的重要性及当前发展方向
二、测量技术的发展方向
测量速度：测量速度的提高，一方面可节约测量时间；另一方 面还意味着对被测量的快速变化的响应和处理能力的提高。 因此可应用于实时监控、瞬变现象快速动力学过程研究等。 例如，简单的距离测量，如果不能快速获得结果，就无法获 得运载火箭的飞行轨迹，也就不可能作火箭的飞行控制。
干扰源分类：
（1）与被测量有相同类型的外界干扰源：如光测量时，其 它光源的光将是干扰源。
（2）与传感器转换后的信号有相同类型的外界干扰源：如 用电传感器时，其它电器的电信号就是干扰源。
1-1 噪声的基本性质
一、噪声的定义和种类
电干扰的引入途径，主要为感应和电源偶合。在弱信号 检测时，电源干扰必须引起足够的重视。常见的电源干扰： （1）供电线路中的严重超载引起的电压降低；
等：
（3）市电的干扰和附近的有强电的外部器件：
1-1 噪声的基本性质
一、噪声的定义和种类
干扰的排除：从理论上讲，干扰是属于理想上可排除的噪声。 不少干扰源，发出的干扰是有规律的，有些具有周期性、有 些只是瞬时的。因此，可通过屏蔽、工作时间错开、电源净 化器等措施，加以排除或消弱。具体的排除措施，需要针对 干扰源的特点进行。
0-3
二、实验教学内容 1．认识实验
本课程主要内容
常用微弱信号检测仪器的使用；正确记录、处理数据和表 达实验结果。
2． 锁相放大器原理实验
理解锁相放大器的工作原理，学会使用锁相放大器。 3． 相关器的研究及其主要参数测量 了解相关器的原理，测量相关器的输出特性、抑制干扰能力、 抑制白噪声能力、过载电平、直流漂移及动态范围等。
1-1 噪声的基本性质
一、噪声的定义和种类
噪声：是指真实信号以外测量所得的值，也称为有害信号。 噪声有广义噪声和狭义噪声之说。 广义的噪声：是指扣除被测信号真实值以后的各种测量值， 不论这些非零测值的来源，是被测对象、测量人员、测量系 统、还是外界环境。 狭义的噪声，是指来自于被测对象、传感器、比较测定系统 内部的广义噪声，其特点是：不可能彻底排除，只能设法减 弱，这些噪声是随机的。 分类 ：
0-4 考核方式及成绩评定
闭卷考试 成绩评定： 平时（作业＋平时出勤＋课堂表现）：20% 实验：20%； 期末考试：60%；
第1章
本章主要内容： 1-1 噪声的基本性质 1-2 噪声的统计性质
噪声基础知识
1-3 器件噪声举例（电阻、半导体二极管、 结型半导体三极管） 1-4 微弱信号检测方法概述
0-2 微弱信号检测及其当前的研究成效
二、应用成效
2．微电流的测量 微电流的测量也是微弱信号检测的内容。一般： I>10-6A——指针式电流计； 10-10A〈I〈10-6A——灵敏电流计； 10-14A〈I〈10-10A——灵敏静电计或振子测量仪； I〈10-14A——微弱信号检测技术。 3．弱磁测量 弱磁测量有很重要的意义，比如在地质勘探、矿藏普查、 军事上的潜艇搜寻、医学上的临床诊断等都需要对弱磁场进 行定量检测。但是在弱磁的测量中，常受到地磁场的干扰， 尤其是地磁起伏。以人体磁信号为例，图0-1是人体各种器官 的磁信号强度和地磁起伏强度的范围。