微弱信号检测技术综合专题实验

( Mult i-Channel) 两类。前者是以具有单电子峰的光 电倍增管作传感器, 采用脉冲甄别和计数技术的光 子计数器; 后者是用光导摄像管或光电二极管阵列 等多路转换器件作传感器, 采用多道技术的光学多 道分析器( OMA ) 。OMA 具有时间分辨能力, 这为 动力学过程的研究创造了条件。
=
0
0
Sni × Be × K u0
( 1)
其中: K u0= Us20 / U2si, 于是可得 S N I R 为:
U
2 s0
SN I R =
U
2 n0
U2si
=
Ku 0SniB i K u0S niBe
=
Bj Be
( 2)
U2ni
图 1 推导 SNIR 的 示意图
由式( 2) 可见, 信号处理系统的信噪比改善等于 输入( 白) 噪声带宽与系统的噪声等效带宽之比。因 此, 减少系统的噪声等效宽度便可以提高系统的输 出信噪比。对于信噪比小于 1 的被噪声淹没的信号, 只要信号处理系统的噪声等效带宽做得很小, 就可 将信号( 或信号携带的信息) 从噪声中提取出来, 这 就是通常的微弱信号检测指导思想之一。
LU Rong-de, DU Ying-lei
( Dep t . of Astronomy & App l icat ion P hysics, University of Sci ence & T echnol ogy of Chi na , H ef ei 230021, China)
Abstr act: T his paper mainly discusses t he principles and ways of weak signal det ect ion, based on the applying pract ice, and compr ehensive t opical experiment plan in the modern physics is designed. According t o t eaching experiment pract ice, t his paper summarizes t he characterist ics of t he comprehensive topical experiment compar ed wit h common experiment mode. P ract ical result shows t hat t his kind of exper iment improves experimental inst ruct ion met hod for high grade under graduat e or graduate student s, incr eases t heir capabilit y of solving pract ical problems, has a good t eaching effect s and is especially beneficial t o height en st udentspresear ch ability. Keywords: det ect ion principle and method; comprehensive t opical experiment ; weak signal det ect ion
中图分类号: TN722; G642. 423
文献标识码: A 文章编号: 1008- 0686( 2005) 03- 0078- 05
Compr ehensive Topical E xperiments about Weak Signal Detection Technology
则测量结果的信噪比可改善 m 倍( 代表性仪器有 Boxcar 平均器) 。随着微型计算机的应用发展, 出现了 信号多点数字平均技术, 可最大限度地抑制噪声和节 约时间, 并能完成多种模式的平均功能。
( 2) 离散信号的统计处理 在微弱光检测中, 由 于微弱光的量子化, 光子流具有离散信号的特征, 使 得利用离散信息处理方法检测微弱光信号成为可 能。微弱光检测又分为单道( Single-Channel) 和多道
次, 对各波长处数据累加后求平均, 可将随机误差降
低到单次测定 1/ m。利用模数转换器高速采样, 可方
便地实现这一目的, 取得滤除噪声效果。 2. 2 离散信号的统计处理检测实验的设计
1923 年, 美国物理学家 A. H . Compton 在研究
图 3 光声光谱仪原理框图
x 射线与物质散射的实验里, 证明了 X 射线的粒子 性。康普顿把观察到的现象理解为光子与自由电子
现最大值时的波长。利用作图软件用归一化后的光
声信号强度对波长作图, 从而得到归一化光声振幅
谱, 同样得到光声位相谱。数据处理的其它方式有取
平均、平滑化、求差谱等, 皆通过软件来实现。
光声信号的噪声主要来自背景吸收、机械震动
和电学系统。在实验条件稳定情况下, 各种噪声会带
来随机误差。在同一条件下, 反复对同一试样测定 m
噪声, 其噪声带宽为 Bi, 噪声功率谱密度为 Sni, 则输
入噪声均方值为 U2ni= S ni·B i, 若系统的电压增益为
K u( f ) , 系统噪声等效带宽为 Be, 则输出噪声均方值
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为[ 1, 5] :
∫ ∫ ∞
∞
U
2 n0
=
S niK 2u( f ) df = S ni
K
2 u
(
f
)
df
当输入信号与参考信号同频同相处于同步时,
可获得最大输出; 而由于噪声的随机性同频同相的
可能性极小, 同时通过后接低通滤波器( LPF ) 又构
成窄的等级噪声通带, 即对信号与噪声作长时间积
分平均, 所以就可使输出噪声大大削弱。其 m 次测
量信噪比:
( SN I R) o =
ms mN
2
=
m
s N
=
m ( SN I R) i ( 3)
碰撞的结果。为了得到微观散射光子性质与宏观探
测器之间的关系需要应用微分散射截面概念, 它表 示一个能量为 hC的入射光子与电子作用后散射到 d8 立体角内的几率。可直接引用狄拉克公式得到, 并可应用实验方法来测定。 2. 2. 1 弱光检测消噪法
第 27 卷 第 3 期 2005 年 6 月
电气电子教学学报 JOUR NAL OF EEE
Vol. 27 No. 3 Jun . 2005
微弱信号检测技术综合专题实验
卢荣德, 杜英磊
( 中国科学技术大学 天文及应用物理系, 安徽 合肥 230026) ª
摘 要: 本文基于应用实践讨论了微弱信号检测原理、检测方法等, 设计了近代物理微弱信号检测技术综合专题实验。结合该实验在教学中的
微弱信号相关检测原理以锁定放大器为例进行 讨论。锁定放大器是通过相敏检波利用参考信号与 被测信号的相位锁定来压缩噪声带宽以抑制噪声, 从而检测出信号幅值和相位, 检测信号可达 nV 级。 其实际上是互相关的、以相敏检波器 P SD 为基础的 装置, 实验原理框图如图 2。
图 2 锁定放大器的实验原理框图
0 引言
微弱信号检测是一门新兴的技术学科, 应用范 围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医 学、激光、材料等领域, 其仪器已成为现代科学研究 中不可缺少的设备。微弱信号检测技术是采用电子 学、信息论、计算机及物理学的方法, 分析噪声产生 的原因和规律, 研究被测信号的特点与相关性, 检测 被噪声淹没的微弱有用信号。微弱信号检测的目的 是从强噪声中提取有用信号, 或用一些新技术和新 方法来提高检测系统输出信号的信躁比。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
制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一 个热点。我们在引进国内外生产的三套实验设备的 基础上, 从微弱信号检测模型及其方法两个方面, 尝 试设计微弱信号检测综合专题实验。
1 微弱信号检测模型及其检测方法
首先从信号处理系统的信噪比改善角度来简述 一 下 微弱 信 号检 测的 原 理。信 噪比 改 善的 定 义 S N I R 为输出功率信噪比/ 输入功率信噪比。以输入 系统的噪声 为白噪声( 电阻 噪声) 时 来讨论 SN I R 的表达式。如图 1 中, 设信号处理系统的输入信号电 压和输出信号电压分别为 Usi和 Uso, 输入噪声为白
收稿日期: 2005- 03- 26; 修回日期: 2005- 05- 19 第一作者: 卢荣德( 1968- ) , 男, 安徽庐江人, 副教授。从事教学与科研工作, 曾发表论文近 30 篇, 译著一部。
第 27 卷第 3 期 卢荣德等: 微弱信号检测技术综合专题实验 7 9
( 3) 计算机处理方法 随着计算机应用范围的 扩大, 原来在微弱信号检测中需要硬件来完成的检 测系统, 现在可以用软件来实现。利用计算机进行曲 线拟合、平滑、数字滤波、快速傅里叶变换( F FT ) 及 谱估计等方法处理信号, 提高了信噪比, 实现了微弱 信号检测的要求。
2 专题实验设计
2. 1 微弱信号相干检测及其应用实验 2. 1. 1 微弱信号相关检测
和 P cos7 信号。经过以上运算, 得到光声振幅 P 。 数据处理: 由于氙灯光源强度随波长呈一定分
布, 需对测定的光声信号强度 P 进行归一化处理:
P Kn = ( P K/ P cK) * ( P cK0 ) / ( P K0)
( 6)
式中: P Kn 为波长 K处归一化光声信号强度; P K、P K0为 波长 K和 K0 处样品谱的光声信号强度; P cK、P cK0 为波 长 K和 K0 处炭黑谱的光声信号强度; K0 为 P K/ P cK出
器对不相干信号的抑制作用, 从中直观、形象地体会
锁定放大器的相敏检波特性; 多点信号平均器能从
较强的干扰和噪声中提取信号, 依据时域特性的取
样平均来改善信噪比, 复现被噪声淹没的信号波形。
2. 1. 2 应用实验专题设计 光声信号由微音器或压电元件转换为电信号,
通过一定增益、噪声小的前置放大器放大后, 送到下
幅 P 和位相 7 :
P = ( P sin7 ) 2 + ( P cos7 ) 2
7
=
tg- 1
P sin7 P cos7
( 5)
实验方法: 本实验中采样程序由 C 语言编写,
选取的采样间隔分别为 0. 1107nm 和 0. 3321nm。采
集数据开始时首先选择模拟输入通道, 然后启动模
数转换器, 分道轮流采集锁定放大器输出的 P sin7
则信号改善比:
SNIR =
( S N I R) o ( SN I R) i
=
m
( 4)
锁定放大器的原理实验应以掌握相关检测原理
80 电气电子教学学报 27 卷
为重点, 以观测、分析相敏检波器的相位特性为主要
内容; 通过观察、分析相关器的 PSD 波形以及相关
微弱信号检测方法较多, 物理思想新颖, 根据信 号和噪声的不同特点, 采用不同的方法。本专题实验 设计主要目的在于抛砖引玉、拓展视野、加强理论知 识和实际科研能力的培养。微弱信号检测的发展有 两方面: 一是理论方面, 二是技术和检测仪器方 面[ 4] 。目前, 微弱信号检测主要以下几种方法:
( 1) 相关检测 相关检测是频域的窄带化处理方 法, 是一种积分过程的相关测量。它利用信号和外加参 考信号的相关特性, 而这种特性是随机噪声所不具备, 典型仪器是以相敏检波器为核心的锁定放大器。利用 取样技术, 在重复信号出现的期间取样, 并重复 m 次,
实际应用, 总结了此专题综合实验与一般实验方式相比的特点, 实 际结果表明: 综合专题实验改善了高年级本科 生或研究生的实验教学手段,
提高学生综合应用所学知识解决实际问题的能力, 取得了良好的实验教学效果, 特别是对于大学生研究能力的提高十分有益。
关键词: 检测原理及检测方法; 综合专题实验; 微弱信号检测
一级锁定放大器, 滤除与斩波频率无关的成分后放
大输出。采用与 P C 机过接的模数转换器接口板, 捕
获瞬间变化的光声光谱信号, 可提高光声光谱峰的
分辨率。开始时首先根据地址位选择模拟输入通道,
然后启动模数转换器, 分道轮流采集锁定放大器输
出的 P sin7 、P cos7 成分, 经过计算可得到光声振