微弱信号检测——基于自相关检测的微弱信号分析与仿真

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器问世[5]，锁相放大器在微弱信号的测领域中受到了广泛的重视与应用[5]。在过去的几十年 里， 锁相放大器的研究有了突飞猛进的发展， 锁相放大器由早期的模拟电路发展到现在的数 字电路，其性能有了很大的改善，提高了系统的精度和拓宽了动态范围。锁相放大器的原理 主要是应用相干检测完成对待测信号的频率迁移过程。 近些年来， 国内对于锁相放大器的研究有了很大的进展， 主要的研究公司有南京鸿宾微 弱信号检测有限公司等[5]。其对具有代表性的是 HB-211 精密双相锁相放大器，其输入信号 频率范围 5Hz〜lOOKHz,输出总动态范围大于 120dB。 相比与国内，国外对锁相放大器的研究比较成熟，国外代表性的锁相放大器有 SRS(sta nford Research System)公司的 SR8XX 系列[5]， 日本 NF 公司的 LI5630/5640 锁相放大器和美 国 SIGNAL RECOVERY 公司的 Model7265 系列锁相放大器比较具代表性的锁相放大器 Mo del7265[5]。 Model7265 为数字双相锁相放大器，输入信号频率范围为 0.001Hz〜250KHz,最大动态 范围大于 100dB, 具有双参考模式。新一代的锁相放大器具有较为理想的动态范围和稳定性 。目前，相比于国内，国外的输入信号频率范围、稳定性等较好与国内，国内锁相放大器的 性能仍有很大的提升空间。 1.4 研究的内容 本文主要讲述了微弱信号检测中的相关检测法以及 MATLAB 的仿真。 第一节，相干检测的原理。简要说明了微弱信号检测的原理。详细说明了自相关检测和 互相关检测的原理，并简单的对两者进行了比较。 第二节，相干检测的 MATLAB 仿真。给出了 MATLAB 的仿真程序。 第三节，总结。总结了这学期的课程学习，以及对微弱信号检测这门课程的理解。
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1 绪论
1.1 引言 随着社会的发展和科技的进步， 在人们认识世界和改造世界的过程中， 经常需要对微弱 的有效信号进行检测。如对光学中的各种光谱检测过程中，对细胞的发光特性检测中，对化 学反应中的物质生成过程检测中， 对物理学中的表面物理特性检测中， 对天文学中的星体光 谱检测中， 都存在着对微弱有效信号的检测过程。 由于在这种过程中的微弱有效信号经常淹 没在大噪声中，常规的检测方法对此无能为力。为此，人们开始研究新的检测方法和检测理 论，以满足现代社会发展的需要[1-2]。 微弱信号检测[3-6]的目的是从噪声中提取有用信号，或者是采用一些新的技术手段和技 术方法来提高检测系统输出信号的信噪比。 微弱信号检测的设备已成为现代社会中不可缺少 的设备。对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研究新的微弱信号检测 设备是目前检测技术领域的一个热点.微弱信号检测的方法有多种，如常用的滤波方法、采 用低噪声的前置放大器等。 相关检测技术是微弱信号检测中一种行之有效的方法， 相关检测 技术的发展建立在随机过程理论和信息论发展的基础上， 相关检测的技术首先应用于军事上 的雷达技术，然后逐渐转移到民用和科学研究上，现在已经在各个领域内曰益广泛的应用， 如微弱激光信号检测、弱电信息的噪声过滤、机械振动波的频谱特性分析、全光纤电流互感 器中的数据处理、测定地震的波形和波速、生物电的测定等[7-9]。 1.2 微弱信号检测的意义 微弱信号是指被噪声没的信号[10-12],由于现代测景仪器的不断改进与更新，信号特征的 测最备受关注，例如幅值小的温度差的测景等。在天文学中可见光的光谱测最中，微弱信号 检测技术得到充分的利用[12]。经常用的测景办法不能解决微弱信号的最化的问题，并且有 些测景并不能直接迎过测景仪器获得，需要对信号进行变换，达到测景的目的。 微弱信号的提取可以为研究自然科学等提供便利。 例如在电磁测景中， 其可以提取微弱 电磁信号， 为利用电磁原理制作的武器提供强有力的保证。 应此对于微弱信号的研究是当今 技术中至关重要的部分。在有些信号的测景中，微弱信号己经逐渐显示其重要性，例如脉搏 信号的测景，由于脉搏信号受到采集器件和环境等的限制，其信噪比往往很低。脉搏信号的 特征值体现了重要信息， 因此对于脉搏信号测最是医学界不可缺少的部分。 利用相干检测可 以有效的获取信号的有效信息，具有不可估量的意义。 由于信号波形在时间轴上的一系列获取的数值有关联性。 噪声则没有最好的关联性， 因 此可以通过这种区别将信号特征提取出来， 相干检测是提取信号特征的一种有效的办法， 具 有及时性，且系统成木较低等特点。 1.3 国内外研究现状 20 世纪 50 年代初，贝尔实验室的科学家们叙述了在磁带上实现的相关检系统[5]，初期 的相关检测的测景需要的时间较长。在 1961 年，首次出现了利用相干检测提取微弱信号的 描述，在之后的儿年里，人们对相干检测进行了大景实验研究，在 1962 年第一台锁相放大
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目
录
1 绪论................................................................................................................................................. 5 1.1 引言..................................................................................................................................... 5 1.2 微弱信号检测的意义......................................................................................................... 5 1.3 国内外研究现状................................................................................................................. 5 1.4 研究的内容......................................................................................................................... 6 2 相干检测的原理............................................................................................................................. 6 2.1 微弱信号检测原理.............................................................................................................. 6 2.2 相关检测的原理................................................................................................................. 7 2.2.1 相关函数的概念....................................................................................................... 7 2.2.2 自相关检测............................................................................................................... 8 2.2.3 互相关检测............................................................................................................... 8 3 相关检测的 MATLAB 仿真............................................................................................................. 10 4 总结............................................................................................................................................... 11 参考文献........................................................................................................................................... 11 致谢................................................................................................................................................... 12
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Analysis and Simulation of weak signals based on auto correlation detection
Ricky Yang
NUIST，Nanjing 210044，China
Abstract: The detection of weak signals is a test technique for acquiring signals in noise. It has been paid much attention to by people. It is widely used in various fields of science. In the weak signal detection technology, for the removal of noise in the signal over frequency band, coherence has irreplaceable advantages and far-reaching significance test. In the method of measuring weak signals, coherent detection, compared with narrowband filtering and sampling integral method, has the advantages of high precision, good stability and easy operation. This paper introduces the basic principle of weak signal detection and auto correlation detection, and gives the MATLAB simulation of autocorrelation detection. Keywords:weak signal; autocorrelation detection; MATLAB