微弱信号检测技术-LIA中的同步相干检测 2011-05
微弱信号检测
5、离散量的计数统计（适合符合统计的离散信号）
随被检测信号中，有时是随机的或按概率 分布的离散信息。例：光子 需要分辨离散信号，减小噪声。
在弱光检测中主要的噪声源是大量的二次电子发 射、热激发和放大器噪声，它们都有很高的计数 概率，所以要求光电器件对二次电子发射等的输 出脉冲幅度要低，对要求检测的光子脉冲幅度尽 可能的要趋于一致，对宇宙射线要尽量屏蔽防止 进入。
依据功率谱对噪声的分类
白噪声： 如果噪声在很宽的频率范围内具有恒定功 率谱密度，这种噪声称白噪声 (注意：功率谱不包 括相位信息)。 有色噪声：反之，若噪声功率谱密度不是常数则称 为有色噪声 谱密度随频率的减小而上升，称为红噪声 谱密度随频率的升高而增加，则称为蓝噪声 这些都是以光的颜色与频率的关系来比拟的。
微弱信号检测技术进步的标志是仪器检测 灵敏度的提高。更确切地说，应是信噪比 (SNlR)改善。 它的定义为 ，是输出信噪比 与输入信噪比之比。SNIR越大，表示处理 噪声的能力越强，检测的水平越高。
一方面，如果分辨率要求高，或光谱扫描速度要求快，则 信噪比必然降低。 另—方面，如果利用微弱信号检测技术将传感器降温到液 He温度(4.2K)，而使S/N提高20倍。这时，若要求测量的S ／N不变，却可使光谱扫描速度提高400倍，或分辨率提 高3.3倍。 因此，应尽力降低传感器的噪声。
2 i11 2KTg f 11
(3)闪烁噪声（1/f噪声）：由于材料生产过程中的 非均匀性造成的晶体缺陷，引起载流子迁移过程 中局部的不规则行为产生的噪声。其频率近似与 fn(n=0.9～1.35)，通常取为1。 其形式与频率有关，属于红噪声。 对于有源器件，此种噪声是最重要的。
三、信噪比的改善
PMT不是理想的光电转换传感器，它不仅接受光信息， 其输出还因杂散光、漏电流和暗电流的存在而使总电流增 加，真正的信号电流却被淹没在其中。
微弱信号检测
微弱信号检测微弱信号检测是指对湮没在背景噪声中的微弱信号的测量,由于微弱信号本身的涨落、背景和放大器噪声的影响限制了它的测量灵敏度。
其内涵为利用电子学和信息论的方法,研究噪声的成因和规律,分析信号的特点和相关关系,发展新的检研究的内容有:噪声物测原理、微弱信号检测理论、低噪声设计、弱信号传感器和信号提取技术等。
特点①需要噪声系数尽量小的前置放大器，并根据源阻抗与工作频率设计最佳匹配；②需要研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件；③利用电子学和信息论的方法，研究噪声的成因和规律，分析信号的特点和相干关系。
自从1928年发现电阻中电子的热骚动引起非周期性电压以来，弱检测技术受到普遍重视而得到迅速发展。
相关介绍频域信号的窄带化技术这是一种积分过程的自相关测量。
利用加权函数锁定信号的频率与相位特性并加以平滑，使信号与随机噪声相区别。
采用这种原理设计的仪器称为锁定放大器，其核心是相敏检波器（见模拟相乘器）。
伴有噪声的信号与参考信号通过相敏检波器相乘以后，输入信号的频谱成为直流项和倍频项的频谱迁移，通过后续低通滤波器保留与信号成正比的直流项。
低通滤波器可增大积分时间常数，即压缩等效噪声带宽，因而Q值可达102～108,噪声几乎抑制殆尽。
微弱信号检测是以时间为代价来获得良好的信噪比。
自1962年锁定放大器问世以来，主要从三个方面提高其性能：一是提高检测灵敏度和改善过载能力，充分扩展测量的线性范围。
最高灵敏度已达到0.1纳伏（满度），总增益为200分贝。
有效的方法是用交流相敏检波（如旋转电容滤波器）对信号进入直流相敏检波器前的交流放大和噪声的预处理，或利用同步外差技术（检测原频或中频），即利用交叉变换来滤除噪声。
二是克服相敏检波器的谐波响应，降低高频干扰和频漂的影响。
三是扩展被测信号的频率范围，扩展低频以适应缓变信号的处理，要求良好的高频响应以满足通信和某些特殊测量的要求。
时域信号的积累平均法若信号波形受噪声干扰，则须采用平均法检测法,即将波形按时间分割若干点,对所有固定点都积累N次，根据统计原理信噪比将改善倍。
微弱信号检测技术的研究要点
编号微弱信号检测技术的研究Research on Weak Signal DetectionTechnology学生姓名专业学号学院年月日摘要在自然现象和规律的科学研究和工程实践中,经常会遇到需要检测毫微伏量级微弱信号的问题,比如测定地震的波形和波速、材料分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及物电信号测量等, 这些问题都归结为噪声中微弱信号的检测。
在物理、化学、生物医学、遥感和材料学等领域有广泛应用。
微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机和物理学方法,分析噪声产生的原因和规律,研究被测信号的特点和相关性, 检测被噪声淹没的微弱有用信号。
微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用信号,任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术, 从而将其应用于各个学科领域当中。
本文对弱信号的定义和弱信号的应用范围进行了概述,综述了微弱信号检测理论研究和实际应用领域的发展情况,重点比较了目前在微弱信号检测技术中应用的方法:相关检测、锁相放大器微弱信号检测、取样积分法、基于小波分析的微弱信号检测、基于混沌振子的微弱信号检测,最后总结了各个方法的特点。
关键字：微弱信号检测噪声锁相放大器ABSTRACTIn the natural phenomenon and law of scientific research and engineering practice, often be expected to test baekho microvolts middleweight weak signal issues, such as determination of earthquake wave and wave velocity, material analysis when measuring fluorescent light intensity, satellite signals, infrared detection and signal measurement of things, these problems boil down to a weak signal in the noise of the test. In the physical, chemical, biological medicine, remote sensing and material science and other fields have a widely used. Weak signal detection technology is the electronics, information theory, computer and physics method, analyzes the reasons of the noise and to study the laws of the measured signal characteristics and correlation, detection was submerged in the faint noise useful signal. The aim of the weak signal detection is studying how strong noise from the extract useful signal, the task is to study the theory of weak signal detection, explore new methods and new technology, and its application in the field of each subject.The definition of the weak signal and the application range of the weak signal were reviewed in this paper, the weak signal detection in theoretical research and practical application of the field development situation, the key is the current weak signal detection technology in the application method: related detection, lock-in amplifier weak signal detection, sampling integral method, based on the wavelet analysis, weak signal detection based on chaotic oscillator weak signal detection, finally summarized the characteristics of each method.Key words ：Weak signal, detection, and noise, lock-in amplifier目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 微弱信号的定义 (1)1.3 微弱信号的应用范围及当前的研究背景 (1)1.4 微弱信号检测的原理 (2)第2章相关检测法 (4)2.1 自相关检测 (4)2.1.1 自相关检测的举例 (5)2.2 互相关检测 (6)2.2.1 互相关检测的特点 (7)第3章锁相放大器微弱信号检测 (8)3.1 锁相放大器介绍及应用 (8)3.2 锁相放大器的原理 (9)3.3 锁相放大器特点 (11)3.4 系统中相关器的分析 (11)3.5 锁相放大器的局限性 (12)第4章取样积分法 (13)4.1 取样积分器的工作原理 (13)4.2 取样积分器的信噪比改善系数 (15)4.3 取样积分器的工作方式 (16)4.3.1 定点式取样积分器 (16)4.3.2 扫描式积分取样器 (16)第5章基于小波分析的微弱信号检测 (18)5.1 小波变换的介绍及发展 (18)5.2 小波变换应用举例 (18)第6章基于混沌振子的微弱信号检测 (21)6.1 基于混沌振子的微弱信号检测的介绍 (21)6.2 基于混沌振子的微弱信号检测的原理 (21)结束语 (23)参考文献 (24)第1章绪论1.1 引言科学技术发展到今天，人类对客观世界的认识越来越细微、越来越深入。
浅谈微弱信号检测技术
浅谈微弱信号检测技术
谢秋莲;梁帅
【期刊名称】《无线互联科技》
【年(卷),期】2011(000)005
【摘要】微弱信号检测是一门新兴的技术学科，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征，检测出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。
微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用信号，任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而将其应用于各个学科领域当中。
对微弱信号检测是目前检测技术领域的一个热点。
常规的微弱信号检测方法主要包括时域方法和时频方法。
【总页数】1页(P23-23)
【作者】谢秋莲;梁帅
【作者单位】保定市就业服务局,河北保定071051;保定市工商局北市区分局,河北保定071051
【正文语种】中文
【中图分类】TP3-4
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微弱信号
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y微弱信号检测理论院系：电气学院班级： 11S00101班设计者：学号：指导教师：魏国设计时间： 2011-11-10哈尔滨工业大学软正交矢量型LIA 在微弱信号检测中的应用摘要：介绍了利用软件移相技术得到相互正交的参考正弦波信号，通过互相关算法，完成了软正交矢量型LIA 相关器的具体实现，利用该方法实现了对微弱信号幅值和相位的检测，有效地抑制了干扰，减少了硬件电路成本。
并且通过Matlab 仿真，验证了该算法具有一定的优越性，并在实际应用中取得了很好的效果。
关键词：正交矢量；移相；互相关；微弱信号1 互相关原理设被测信号为()()()sin()()s t x t N t A t N t ωθϕ=+=+++其中：()s t 为有用信号；()N t 为噪声信号；()y t 参考信号，'()y t 和()y t 相位差为90度。
011(0)()()cos()2T sy R s t y t dt AB T ϕ==⎰ （1） 2011(0)()()2T yy R y t y t dt B T ==⎰ （2）'011(0)()'()sin()2T sy R s t y t dt AB T ϕ==⎰ （3）求解式(1)，式(2)和式(3)可以得到：2(0)yy B R = （4）'(0)arctan(0)sy sy R R ϕ= （5）2(0)c o s ()sy R A B ϕ= （6）2 软正交矢量型LIA 的实现2．1 实现框图实现框图如图1所示。
图1 软正交矢量L1A 实现框图由检测线圈感应出来的信号比较微弱、干扰多，通过信号调理电路进入A/D 采集卡的1通道，参考信号进入采集卡的通道2，由计算机控制对两路信号进行采样。
2．2 利用软件移相技术产生与参考信号正交的另一路参考信号序列要实现移相通常的途径有：(1)直接对模拟信号进行移相，如阻容移相、变压器移相等，而采用这种移相器有许多的不足之处，输出波形易受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随时问和负载等因素的影响而产生漂移，误差较大。
030242006-微弱信号检测技术-刘晓阳
《弱信号检测技术》课程教学大纲课程代码：030242006课程英文名称：Weak signal detection课程总学时：24 讲课：24实验：0 上机：0适用专业：测控技术与仪器大纲编写（修订）时间：2011.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标微弱信号检测是将淹没在强背景噪声下的微弱信号，通过有效的检测手段，抑制强背景噪声，从而获得信号的恢复是本课程的主要内容。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1、基本知识：要求学生掌握本专业的专业基础知识和专业课知识。
2、基本理论和方法：通过本课程的教学，使学生对“微弱信号检测”主要应用对象及主要实施方法有所了解，在掌握其基本原理的基础上并能完成较简单的微弱信号检测系统的设计。
（三）实施说明由于学时的关系，本课程着重在于扩大学生的知识面，使学生对这一新兴技术分支能有较深入的了解，以便进一步深造。
（四）对先修课的要求1．模拟电子技术（A）(含高频部分)；2．信号与系统；3. 随机信号分析；（五）对习题课、实验环节的要求要求学生掌握BOXCAR积分器的使用方法，可求出SINR，会调整LIA的参数。
（六）课程考核方式1.考核方式：考查。
2.考核目标：考查学生是否理解微弱信号检测的基本原理及主要应用。
3.成绩构成：本课程的总成绩由三部分组成：平时成绩（包括作业、提问、出勤情况等）30%；开卷考试成绩70%。
（七）参考书目:1.《微弱信号检测（第2版）》曾庆勇浙江大学出版社2.《微弱信号检测》戴逸松吉林工业大学出版3.《微弱信号检测》高晋占清华大学出版社二、中文摘要本课程从应用角度出发介绍微弱信号检测的理论、方法和仪器，是测控技术与仪器本科专业的选修课。
该课程帮助学生了解微弱信号检测技术的发展历程和发展方向，了解微弱信号检测技术的运用领域；帮助学生理解微弱信号检测仪器的工作原理；帮助学生掌握微弱信号及其相关的基本概念，掌握微弱信号检测的一般方法。
三、课程学时分配表四、教学内容及基本要求第01部分绪论总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容:1）微弱信号检测的目的与意义2）噪声的基本性质3）噪声的统计特性4）器件噪声举例5）微弱信号检测方法概述重点:1）噪声的定义、种类、度量、电子噪声2）电阻、二极管、三极管的噪声3）弱信号检测的基本方法难点:1）噪声的定义、种类、度量、电子噪声2）电阻、二极管、三极管的噪声第02部分噪声与低噪声测试系统的设计总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0具体内容:1）噪声系数、噪声因子和其他噪声度量参量2）低噪声前置放大器3）低噪声放大器匹配网络与变压器特性重点:1）噪声系数、噪声因子、放大器NF值的测量、NF图2）设计原则，最佳输入电阻难点:1）噪声系数、噪声因子、放大器NF值的测量、NF图2)理想变压器作匹配时的SNIR第03部分同步相关检测-锁定放大器的工作原理总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0具体内容:1）滤波器2）选频检测的局限性与相干检测3）相敏检波器电路4）非周期移相器5）锁相放大器及其主要性能指标6）锁相放大器的使用与应用7）提高锁相放大器性能的一些技术重点:1）有源LPF、HPF、BPF2）相干检测3）掌握相敏检波器的基本电路4）移相环工作原理5）典型的锁相放大器6）锁相放大器的使用7）PCM技术难点:1）相干检测2）移相环工作原理3）典型的锁相放大器第04部分取样与取样积分原理总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 具体内容:1）根号M法则与抽样定理2）取样积分器3）参数图解选择法4）取样积分器性能的一些重大改进5）BOXCAR信噪比改善的数学讨论6）数字平均器的特点及工作模式7）数字多点平均器8）BOXCAR与数字平均器应用举例重点:1）根号M法则、抽样定理2）门积分器、BOXCAR的工作模式3）参数图解选择法4）快速取样、基线取样5）BOXCAR信噪比改善的数学讨论6）数字平均器的特点及工作模式7）数字多点平均器原理、工作流程难点:1）根号M法则、抽样定理2）门积分器、BOXCAR的工作模式3）参数图解选择法4）快速取样、基线取样5）BOXCAR信噪比改善的数学讨论6）数字平均器的特点及工作模式7）数字多点平均器原理、工作流程第05部分光子计数技术总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容:1）光子计数器的原理概述2）光子计数器中的光电倍增管3）放大器-鉴别器4）光子计数器的测量方法5）模拟输出的光子计数器6）光子计数器中的脉冲堆积效应重点:放大器-鉴别器、光子计数器的测量方法难点:模拟输出的光子计数器第06部分总结与考试总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容：应用实例总结、综合复习与考试。
微弱信号检测的基本理论和技术
微弱信号检测的基本理论和技术微弱信号检测的基本理论和技术微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。
微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用信号，任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而将其应用于各个学科领域当中。
在微弱信号检测中，总是伴随着噪声，噪声属于电路中的随机扰动，它可能来自电路中元器件中的电子热运动，或者是半导体器件中载流子的不规则运动。
噪声是限制信号检测系统性能的决定性因素，因此它是信号检测中的不利因素。
对于微弱信号检测来说，如能有效克服噪声，就可以提高信号检测的灵敏度。
电路中噪声是一种连续型随机变量，即它在某一时刻可能出现各种可能数值。
电路处于稳定状态时，噪声的方差和数学期望一般不再随时间变化，这时噪声电压称为广义平稳随机过程。
若噪声的概率分布密度不随时间变化，则称为狭义平稳随机过程(或严格平稳随机过程)。
显然，一个严格平稳随机过程一定为广义平稳随机过程，反之则不然。
1.滤波器被噪声污染的信号波形恢复称为滤波。
这是信号处理中经常采用的主要方法之一，具有十分重要的应用价值。
现在，在各种信号检测仪器中均离不开各种滤波器，它起到了排除干扰，分出信号的功能。
常用的滤波器是采用电感、电容等分立元件构成(例如，RC低通滤波器、LC谐振回路等)，它对于滤去某些干扰谱线(例如，电源50Mz滤波，收音机、电视机中干扰的滤波)，有较好的效果。
对于混在随机信号中的噪声滤波，这种简单的滤波器就不是最佳的滤波电路。
这是因为信号与噪声均可能具有连续的功率谱。
因此需要寻找一种使误差最小的最佳滤波方法，有称为最小最佳滤波准则。
维纳线性滤波理论就是一种在最小均方误差准则下的最佳线性滤波方法。
出于维纳滤波器电路实现上的困难，在维纳滤波基础上发展了一种基于状态空间方法的最佳线性递推滤波方法，称为卡尔曼滤波。
微弱信号检测技术概述
1213225王聪微弱信号检测技术概述在自然现象和规律的科学研究和工程实践中, 经常会遇到需要检测毫微伏量级信号的问题, 比如测定地震的波形和波速、比如测定地震的波形和波速、材料分析时测量荧光光强、材料分析时测量荧光光强、材料分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、卫星信号的接收、红外探测以及电信号测量等, 这些问题都归结为噪声中微弱信号的检测。
在物理、化学、生物医学、遥感和材料学等领域有广泛应用。
材料学等领域有广泛应用。
微弱信号检测技术是采用电子学、微弱信号检测技术是采用电子学、微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、信息论、计算机和物理学的方法, 分析噪声产生的原因和规律, 研究被测信号的特点和相关性, 检测被噪声淹没的微弱有用信号。
微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用信号, 任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术, 从而将其应用于各个学科领域当中。
微弱信号检测的不同方法( 1) 生物芯片扫描微弱信号检测方法微弱信号检测是生物芯片扫描仪的重要组成部分, 也是生物芯片技术前进过程中面临的主要困难之一, 特别是在高精度快速扫描中, 其检测灵敏度及响应速度对整个扫描仪的性能将产生重大影响。
随着生物芯片制造技术的蓬勃发展, 与之相应的信号检测方法也迅速发展起来。
根据生物芯片相对激光器及探测器是否移动来对生物芯片进行扫读, 有扫描检测和固定检测之分。
扫描检测法是将激光器及共聚焦显微镜固定, 生物芯片置于承片台上并随着承片台在X 方向正反线扫描和r 方向步进向前运动, 通过光电倍增管检测激发荧光并收集数据对芯片进行分析。
激光共聚焦生物芯片扫描仪就是这种检测方法的典型应用, 这种检测方法灵敏度高, 缺点是扫描时间较长。
固定检测法是将激光器及探测器固定, 激光束从生物芯片侧向照射, 以此解决固定检测系统的荧光激发问题, 激发所有电泳荧光染料通道, 由CCD 捕获荧光信号并成像, 从而完成对生物芯片的扫读。
微弱信号检测技术
ej2fd
Rxy
Sxyf
ej2fdf
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
R x0x 2 T l i T 1 m T 2 T 2x2(t)d t sx(f)df
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。
二、自相关检测 三、互相关检测
b
29
一、相关函数的定义与计算
能量有限信号的自相关函数
R () R x( x ) x ( t) x ( t ) d t x ( t) x ( t ) dt
功率有限信号的自相关函数
R ()R x(x)T l i T 1 m T 2 T 2x(t)x(t)dt
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
RxyRyx 对复函数 RxyR* yx
b
31
2、周期信号相关函数特征
正弦信号 xtx0si n t 自相关函数
R x()T l i m T 1 T 2 T 2x0si n t ()x0si n(t [)]dt
lim 1x0 2
式中，ρ为相关系数 当ρ＝0时，完全不相关 当| ρ|=1时，同一噪声源
x2 x12x22 x2(x1x2)2
b
23
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
I1
E1 R1 R2
R1
I
R2
E1
E2
E1、E2为两个不相关的噪声b源
I2
E2 R1 R2
第三章微弱信号检测
Ep Ev
分辨率：
E 2 E1 EP
峰谷比越大，分辨率越小的PMT 越适合作光子计数用。
E1或EV可做第一甄别幅度 E2作第二甄别幅度。
测量弱光时光电倍增管的输出特性： 光电倍增管噪声 单光电子峰 脉 冲 计 数 率
V（甄别电平）
脉冲幅度V
光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线
2 光子计数系统
；
N max
√最大过载电平(OVL)：不造成仪器过载的最大输入噪声电压 V √总动态范围：反映锁相放大器整体性能的重要指标 ，定义为不引起仪器过载的
最大输入噪声电压与最小可分辩的信号电压之比
V N max D VS min
4 调制技术 在光谱测量中，为了使被测信号变成锁相放大器可以测量的交变信号，同 时获得与被测信号交变信号相干的参考信号，需要对被测的光信号进行调 制。进行光信号调制一般利用随机的光斩波器附件。
1 P( x ) e 2
2
2
2
x lim
1 T T
T
0
xdt 0
x 2 lim
1 T 2 2 0 x dt T T
x 2 称噪声电压的均方根值，衡量系统噪声的基本量。瞬时噪声的幅度
基本上在 3 范围之内.
S ( f ) lim 噪声功率谱密度S(f) : f 0 f P( f , f )为在频率f处，带宽为 f 内的1Ω电阻上的噪声平均功率. P( f , f )
1 n nT
nT
0
S i (t ) S r (t )dt
1 1 Ai Ar cos( i r ) Ai Ar cos 2 2
1 1 Ai Ar cos( i r ) Ai Ar cos 2 2 可以调节参考信号的相位 r ，使之与输入信号的相位差为零，这时，相关器 S 0 (t )
微弱信号检测技术
微弱信号检测技术科学技术发展到现阶段，极端条件下的物理实验已成为深化认识自然的重要手段．这些实验中要测量的物理量往往都是一些非常弱的量，如弱光、弱磁、弱声、微小位移、徽温差、微电导及微弱振动等等。
由于这些微弱的物理量一般都是通过各种传感器进行电量转换．使检测的弱物理量变换成电学量。
但由于弱物理量本身的涨落、传感器的本底和测量仪器的噪声的影响，被测的有用的电信号往往是淹没在数千倍甚至数十万倍的噪声中的微弱信号．为了要得到这一有用的微弱电信号，就产生了微弱信号检测技术。
因此．微弱信号检测技术是一种与噪声作斗争的技术．它利用了物理学、电子学和信息论的方法．分析噪声的原因和规律．研究信号的特征及相关性．采用必要的手段和方法将淹没在噪声中有用的微弱信号检测出来．目前．微弱信号检测主要有以下几种方法：‘1、相干检测相干检测是频域信号的窄带化处理方法．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干特性，而这种特性是随机噪声所不具备的，典型的仪器是以相敏检波器(PSD)为核心的锁相放大器。
2、重复信号的时域平均这种方法适用于信号波形的恢复测量。
利用取样技术．在重复信号出现的期间取样．并重复n次，则测量结果的信噪比可改善n倍。
代表性的仪器有Boccar 平均器或称同步(取样)积分器，这类仪器取样效率低，不利低重复率的信号的恢复．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．3、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(MuIti．-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；后者是用光导摄象管或光电二极管列阵等多路转换器件作传感嚣．采用多道技术的光学多道分析器(OMA)。
第十一章-微弱信号检测技术
锁相放大器的工作过程
I 随时间缓变的信号
经过调制
λ(t)
I
信号恢复
输出信号 （与信号幅度成 λ(t) 正比，与相对相 位有关）
ωm
送入锁相放大器
信号输入
Lock-in
参考信号
ωm
互相关函数
两个具有确定频率和相位的周期性信号，它们的相关特
性可以用互相关函数来表达：
lim R12 ( ) T
1 2T
模拟锁相放大器
数字锁相放大器
锁相放大器
2. 锁定放大器抑制噪声的基本出发点
( 1 )用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处,再进行放 大, 以避开1/f 噪声的不利影响； ( 2 )利用相关器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声
与信号同频又同相的概率很小； （3）利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，
1.锁相放大器概述
自从1962年，美国EG&G PARC公司制作了第一台锁相放大器(LIA)的 后，微弱信号检测技术得到了突破性的发展。后来又出现了模拟锁相放 大器(ALIA) 和数字锁相放大器(DLIA) 。对于数字锁相放大器而言，又 出现基于单片机的DLIA 和基于专用DSP的DLIA 。还有基于PC的系统级 模块化DLIA ，这种锁相的算法是采用C，C++等语言实现的。由于整个 系统运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。
通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪 声。
把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性， 可以减少或消除。
锁相放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境 中检测弱信号。
通常干扰是可以减少或消除的外部扰动，而由于材料 或器件的物理原因产生的噪声则很难消除。
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1n1 cos2n 2 t 0
n 1
2n 1
2n 1
n 1
1n1 cos2n t n(t ) 4Vr
0
2n 1
n 1
1n1 cos2n 1 t
0
第二项所表示的和频项被滤除，讨论第三项
（1）如果n(t)为单频信号，其频率为Wn，那么只有
n 0 LPF
Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST
17
(2)如果n(t)为宽带噪声或x(t)的高次谐波，其频率为Wn的分量
Vn cos(nt ) 与方波相乘结果为：
uau (t ) Vn cos(nt ) 2VrVn
4Vr
n
2n 1 cos2n 1 t
n 1 0 0
1
n 1
2n 1 cos( 2n 1 )t
Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST
11
4.X(t)为正弦波含窄带噪声，r(t)为正弦波 x(t ) Vs cos0t n(t )
Sn : n B / 2 ~ n B / 2范围内恒为 0 / 2 N
4Vr
2n 1
n 1
1n1 cos2n 1 t
0 0
2n 1
n 1
1n1 cos2n 2 t 2VsVr
微弱信号检测
光电检测技术——微弱光检测一、相关检测原理 (2)1 相关函数 (2)2、相关检测 (3)二、锁定放大器 (6)1、基本原理 (6)2、锁定放大器的主要参数 (8)三、光子计数技术 (10)1、基本原理 (10)2、光子计数器的组成 (13)3、光电倍增管 (14)4、光子计数系统的测量误差 (15)在许多研究和应用领域中,都涉及到微弱信号的精密测量.然而，由于任何一个系统部必然存在噪声，而所测量的信号本身又相当微弱，因此，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来的问题具有十分重要的意义。
在光电探测系统中，噪声来自信号光、背景光、光电探测器及电子电路。
通常抑制这些光学噪声和干扰的方法是：合理压缩系统视场,在光学系统结构上抑制背景光，加适当光谱滤波器，空间滤波器等以抑制背景光干扰。
合理选择光信号的调制频率，使信号频率远离市电（50Hz)频率和空间高频电磁波频率，偏离l／f噪声为主的区域，以使光电探测系统在工作的波段范围内达到较高的信噪比。
此外，在电子学信号处理系统中采用低噪声放大技术,选取适当的电子滤波器限制系统带宽，以抑制内部噪声及外部干扰。
保证系统的信噪比大大改善，即使信号较微弱时，也能得到S/N>1的结果。
但当信号非常微弱，甚至比噪声小几个数量级或者说信号完全被噪声深深淹没时，再采用上述的办法，就不会有效,必须利用信号和噪声在时间特性方面的差别，也即利用信号和噪声在统计特性上的差别去区分它们，来提取被噪声淹没的极微弱信号，即采用相关检测原理来提取信号。
一、相关检测原理利用信号在时间上相关这一特性，可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来,这种摄取方法称为相关检测或相干接收，是微弱信号检测的基础。
信号的相关性用相关函数采描述，它代表线性相关的度量,是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。
1 相关函数相关函数R xy是度量两个随机过程x(t），y（t)间的相关性函数，定义为（1）式中τ为所考虑时间轴上两点间的时间间隔.如果两个随机过程互相完全没有关系(例如信号与噪声,则其互相关因数将为一个常数，并等于两个变化量平均值的乘积；若其中一个变化量平均值为零(例如噪声），则两个变化量互相关函数R xy将处处为零，即完全独立不相关.如果两个变化量是具有相同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。
4.3(zm2011) 微弱信号检测
对于二阶低通滤波器，～1.22 对于三阶低通滤波器，～1.15 对于四阶低通滤波器，～1.13 对于五阶低通滤波器，～1.11
滤波器的阶次越高，Δfn和Δf的比值越来越接近于1，其幅频响 应曲线越接近于理想滤波器。 15
2. 噪声通过系统的情况 1） 噪声功率
噪声是一种平稳随机信号； 噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方法，
7
3．离散量的统计计数技术
用PMT（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完 成）实现光子计算。
4．单次信息的并行检测技术
对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期 信号的检测，可采用并行检测技术。实现并行检测需要一 个探测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以 依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路 传输和多道技术。典型例子：光学多通道分析器（OMA－ Optical Multichannel Analyzer ）。
AV 2 ( f )
噪声输入
噪声输出
18
根据噪声功率谱的含义，那么线性网络输出端的 噪声电压均方值(即输出的噪声功率)为：
2 vn 0
0
S 0 ( f )df
0
Si ( f ) AV ( f )df Si
2
0
AV 2 ( f )df
Si f n AV 2 ( f 0 )
是矩形面积
对同一个系统，可分别根据定义求出其等效噪声带宽和3dB 带宽，这两者之间存在一定的关系，但不完全相等。
12
例：求一阶RC低通滤波器电路的3dB带宽和等效噪声带宽
AV j
频率响 应函数
1 U 1 j C AV j o 1 Ui 1 jRC R j C
微弱信号检测
微弱信号检测
微弱信号检测
扫描式取样积分器
扫描式取样积分器信号处理波形图
微弱信号检测
数字多点平均器
微弱信号检测
时域信号——平均处理（取样积分与信号平均） 取样积分法 是用取样门及积分器对信号逐次取样 并进行同步积累，以筛除噪音，从而恢复被噪音 淹没的快速时间变化的周期性重复信号的波形。 信号平均器 则是采用适时多点取样，多用期平均 技术提取和复制在噪声中的低频信号波形，输出 特性同样为基波及各谐波处的杭状滤波器。
微弱信号检测
为了从噪音中辨认有用信号，常采用带通滤波器BPF（Band Pass Filter）和选通放大器。BPF中心频率为ω0 ，尽量压缩 带宽使Q值提高，Q =ω0 /∆ω ,使大量通带两侧的噪音得到抑 制。但带宽压窄困难。 噪音电压 当∆f＝2.5Hz时，Upp=11.9mV; 当 ∆f＝0.25Hz时，Upp=3.5mV; 当 ∆f＝0.025Hz时，Upp=1.1mV。 若信号频率 f0 =25KHz,要设计带宽∆f＝0.025Hz ，则Q =ω0 /∆ω=106 ,即使Q可达106 ，但BPF中心频率要有10－6 稳定度 也不现实。
微弱信号检测
时域信号——取样积分与信号平均 取样积分法和信号平均也是相关检测，与锁定放 大不同的只是部分相关，即仅在取样门宽T的一段 时间内信号与参考信号相关。 由于取样门脉宽很窄，其函数包含了基波及奇、 偶各次谐波分量，所以其输出也包含了信号中的 基波及各次谐波分量，系统输出亦为信号基波及 各次谐波处的梳状滤波特性。
微弱信号检测
锁相放大器的实现
微弱信号检测
锁相放大器的实现
信号通道的作用是将伴有噪音的信号加以放大，并经滤波 或选频放大对噪音作初步预处理，以滤除信号通道以外的 噪音。 参考通道的作用 是提供一个与输入信号同步的方波或正 弦波。 相敏检波的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算， 得到输入信号与参考信号的和频与差频信号， 后续低通滤波器的作用是滤除和频信号成分，这时等效噪 音带宽很窄，极强的抑制了输入噪音。 信号经相敏和LPF，将交流信号转变为直流信号，经直流 放大器再行放大，以满足系统的增益要求。
微弱信号检测实验报告
软正交矢量型LIA 在微弱信号检测中的应用摘要：本文利用软件相移技术得到相互正交的参考正弦波信号；通过互相关算法，完成了软正交矢量型LIA 相关器的具体实现；利用该方法实现了对微弱信号幅值和相位的检测，有效地抑制干扰，减少了硬件电路成本。
通过Matlab 仿真，验证了该算法具有一定的优越性。
关键词：软件相移；正交；互相关一、互相关原理设混有随机噪声的信号：()()()sin()()s t x t n t A t n t ωθϕ=+=+++其中：()x t 为有用信号且其重复周期或频率已知，()n t 为随机噪声信号；参考信号为：()sin()y t B t ωθ=+，'()cos()y t B t ωθ=+且()y t 和'()y t 相位差为90︒。
则有：011(0)()()d cos()2T xy R s t y t t AB T ϕ==⎰ （1） 2011(0)()()d 2T yy R y t y t t B T ==⎰ （2）''011(0)()()d sin()2T xy R s t y t t AB T ϕ==⎰ （3）求解式(1)式(2)和式(3)可以得到：B = （4）'(0)arctan(0)yy sy R R ϕ= （5）2(0)cos()sy R A B ϕ=（6）由上可见，利用互相关原理可以测得被测信号的幅值和相位。
同时，因为信号要经过A/D 采集卡才能存储到计算机中，所以得到的是检测信号序列()s k 和参考序列()y k ，即将上述互相关运算公式离散化，得：11(0)()()Nsy k R s k y k N ==∑ （7）11(0)()()Nyy k R y k y k N ==∑ （8）''11(0)()()Nsy k R s k y k N ==∑ （9）依旧可以使用式（4）（5）（6）计算求的被测信号的幅值和相位。
微弱信号检测
设输入信号是：
本地信号为： 则互相关函数为：
f1 (t ) S1 (t ) n(t )
f 2 (t ) S 2 (t )
1 T R12 ( ) lim f i (t ) f 2 (t )dt T 2T T 1 T 1 lim S1 (t ) S 2 (t )dt lim T 2T T T 2T Rs1s2 ( )
由于信号与噪声是互不相关的随机过程，如果设 信号或噪声的平均值为零(至少噪声的平均值为 零)，那么上式中的信号和噪声的相关项亦均为零。 虽然从理论上讲，噪声的前后可以认为是不相关 的，而实际上对于时间间隔不大的两点噪声仍有 可能是相关的。随着τ的增大，噪声的自相关函数 将接近于零，其结果使信号与信号的相关函数Rss (τ)显示出来。
T
T
n(t ) S 2 (t )dt
从提高信噪比的观点看，互相关接收比自 相关接收更为有效。然而需要适当的选择参 考信号，使得参考信号的频率与待测信号一 致，并有固定的相位差。
III、相敏检波器的功能
相敏检波器除了用于确定信号的频率和振幅外， 还可用于确定量同频信号之间的相位差。
若信号为一正弦函数
可求得其相关函数为
S (t ) Vm cos(t )
1 R( ) Vm cos( ) Rnn ( ) 2
例：雷达反射信号自相关接收的原理波形。
II、互相关接收的原理
互相关接收的抗干扰性能比自相关接收好。如果发送信号 的重复周期或频率已知，就可在接收端发出一重复周期与 发送信号相同的“干净的”本地信号，将本地信号与混有 噪声的输入信号进行相关，就可提高电路的抗干扰性能。
相关检测的基本原理
由于BPF的Δf值是有限的，用它直接进行弱 检测有一定困难，而将f0的频谱搬迁到f0/ ＝0(即 直流DC)，则BPF就可用低通滤波器(LPF)来代替， LPF的Δf目前可以做到很小。 实现频谱搬迁的电路称相敏检波器，是窄带化技 术的核心部件。实现这种检测方法的仪器称锁相 放大器(LIA)。
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3 信号为参考的奇次谐波 ( (2n 1)R )且积分时间足够长：
输出为直流信号，且具有理想的梳状滤波器频响特性。
奇次谐波输出频响特性
f R 29 f s max f R 50 f s max f R ：载波（参考）频率； f s max ：调幅波（信号）最高频率。
III 实用电路对比
相关器
旋转电容滤波器 同步积分器
几种典型的锁定放大器(LIA)
以相关器为核心的LIA（出现最早，应用最广）
以同步积分器为核心的LIA
基波处等效噪声带宽 f N 1 总等效噪声带宽 f N
(1) 单级：f N 1
积分时间常数 （Tc；Ti；τ）
f N (2 n 1) (
1 1 )2 d f 2n 1 1 T
1 2 RC
f N 1 f N
1 2 R0C0
两级：f
(2) N1
检测污染气体的噪音极限灵敏度
光声光谱的应用
固体试样 无需前处理 适用于高散射、辐射(粉末)及不透明物质 表层分析 可获得表层厚度的信息
K2Cr2O7粉末的光声光谱图，与K2Cr2O7水溶液谱十分相似
干燥海藻的光声光谱
这是用几mg干燥海藻 所得到的光声光谱。利 用光声光谱技术，只要 几mg的植物和动物体 原料，就可测定它的二
同步积分器与相关器联用的LIA 外差式LIA(相关器方式，频率变换实现自动频率跟踪) 双相LIA（采用两个相互正交的相关器方式） 旋转电容滤波器与相关器组成的同步外差LIA
锁定放大器的动态范围 及动态协调
一、三个临界电平及动态范围的定义
1、满刻度信号输入电平FS (Full-Scale)
定义：提供系统最大输出指示的满刻度相干输入信号电平； 即：仪器放大倍数最大时，使输出达到满刻度的输入电平。
2、最小可检测信号电平MDS(Minimum Discernible Signal)
定义：输出稳定度乘以输出满刻度所需的相干信号峰值的输入电平。
百分数 测量：将LIA输出端短路，用记录仪记录其漂移量，再除以信号通道增益， 折合到输出端即为MDS。
VNrms VNrms '
1 VNrms OVL 33.3FS； 3 340 40k 10.2； f N VNrms 2 即要求f N ' 384 Hz 2 33.3 10.2 f 根据f N ' f 0 R Q 4.1 2 2 Q
'
四、动态协调
单色仪
参 考 信 号 参考池
光声池
放置炭黑的参考 池归一 前置放大器
波长扫描 控制器
前置放大器
记录仪
除法电路
锁相放大器
单色仪 斩波器 透镜 2
光声池
光源
透镜 1
波长扫描 控制器
前置放大器
fR 锁定放大器 fR 与 f 同频
f
X-Y 记录仪
光声光谱的特点
常用于气体中低浓度物质的检测 不受试样形状和形态的限制，无需前处理 试样用量少，mg级 由于测无辐射部分，适用于高散射、辐射及不透明物质 灵敏度高，液样最低浓度0.05ng/ml 适用性广，气、液、固样及化学反应过程 激光光源和光声池要求高，仪器价格昂贵
输入信号与各类传感器（探测器）匹配（阻抗、频率、灵敏度
和响应时间）
3.
选择前放以满足最佳噪声匹配（传感信号→前放→LIA）
4.
5. 6.
LIA的时间常数选择 （ Tc；Ti；τ → ENBW ）
合理的参考信号获得（或频率自动跟踪闭环式LIA） LIA具有F和2F的选择开关，以测量信号基波和二次谐波
7.
根据实际情况，合理选择LIA的输出动态范围
☆ 输入总动态范围=动态贮备+输出动态范围
反映干扰程度
OVL FS
FS MDS
反映响应程度
交流增益KAC 直流增益KDC
锁定放大器的应用
2011-05-26
一、正确使用锁定放大器的步骤
1. 输入信号是占空比为1：1的交流信号；直流 → 交流（斩波器）
2.
4 信号偏离参考的奇次谐波一微小量 ( (2n 1)R ) 且积分时间足够长： 具有一定带宽的梳状滤波器频响特性输出， 输出信号V0 ∝ f N 。
V0 ~ f / f R 响应曲线
5 信号与参考同为同频方波且积分时间足够长：
其输出与两者的相位差成线性，可用作方波鉴相器。 6 等效噪声带宽和积分时间常数：
8.
注意动态协调问题
常规的屏蔽和良好的接地措施
二、信号的斩波调制
1定义：把直流信号变为交流信号，并将信号进行取样 变换和处理，使信号按比例保存原信号的所有频谱。 2光学斩波器——斩光器：使连续光变成占空比为1:1的 交流信号。
各 种 斩 光 调 制 盘 孔 径 及 输 出 波 形
实际斩波器的斩光盘与驱动器 （单频、双频）
意义：指LIA在维持满刻度输出条件下， 输入端所能允许的最坏情况下SNR的直接量度！
对数表示
6、输出动态范围
满刻度相干输入信号峰值 FS FS (dB) 输出动态范围 ，20 Log MDS 最小可检测相干输入信号峰值 MDS
对数表示
☆ 输入总动态范围=动态贮备+输出动态范围
实例：两类锁定放大器动态范围讨论
4、输入总动态范围（评价LIA检测能力的极限指标）
输入总动态范围
OVL 最大不相干信号峰值 OVL ， Log 20 (dB) 最小可检测相干信号峰值 MDS MDS
对数表示
是评价LIA从噪声中提取信号能力的主要因素。
5、动态贮备
最大不相干信号峰值 OVL 动态贮备 ， Log OVL (dB) 20 满刻度相干输入信号峰值 FS FS
斩波器
光源
透镜
单色仪
参 考 信 号
光声池
微音器
波长扫描 控制器
前置放大器
计算机检出
记录仪
锁相放大器
难以扣除光声池和试样以外的其他物质所产生的背景信号 解决方法：双光束光声光谱仪
双光束光声光谱仪
既校正了光源强度随波长的变化及时间的漂移
又扣除了光声池及试样基体的背景信号
透镜
斩波器 分束器
把光分成2束
光源
两级：f N
(2)
2
RC
旋转电容滤波器
相关器
8 Ti 2 RC
同步积分器
7 积分时间常数的选择范围：
8 3 1 Tc (Ti , ) fR 2 f s max 8 1 Tc (Ti , ) fR 2 f s max (最高失真50%；6dB失真） (最高失真约30%；3dB失真）
LIA 的输出漂移 MDS K总
过载电平 动态贮备
3、过载电平OVL(Overload)
定义：使系统引起非线性失真的输入 信号电平。（包括电路和噪声） 即：过载时仪器工作在非线性状态， 通常定义使信号输出产生5%误差的噪 声电压为本仪器的OVL。
输入动态范围 满刻度 信号电平
输出总动态范围
最小可 检测电平
2
1 4 RC 1 8 RC
f N 1 f N
8 Tc R0C0
f N 1 1.23f N 1
(1) 单级：f N
2
8
(1) (1) f N 1 1.23f N 1 (2) (2) f N 1 1.23f N 1
2
8
f N 1 1.23f N 1
级代谢物的类型和浓
度，即测定机体代谢的 化学副产物。
4、光源光谱分布测量
采用双探测器双光束系统
或采用双频双光束系统
加一个单色仪
5、电阻阻值随随温度变化测量
6、低噪声放大器噪声系数测量
7、自来水浊度测量
浊水样品
光源 斩光器
透镜
滤光片
D f fR
光电接收器
锁定放大器 输出
思考题6参考：
二、动态范围和频率的关系
以基波分量讨论：
第一类锁定放大器 第二类锁定放大器
三、白噪声过载
白噪声干扰属宽带干扰，单位宽带内噪声功率相等且与频率无关。 假设输入电路的噪声带宽为40kHz，伴有白噪声电压均方根值 为340FS,参考信号频率为1kHz，试判断白噪声过载问题。
（其中第一类LIA的OVL=100FS，第二类LIA的OVL=104FS)
3斩光器的性能指标：
频率范围：1Hz~数KHz；
频率稳定度：电源电压波动/斩光盘机械配置/电机和电路
温漂时漂等引起。V~+-10%; Δf<0.05%； 1h时漂<0.2%。
相位抖动：参考与信号的相对相位抖动，取决于机械加工精度
< 0.5 0rms
参考信号输出：具有1:1方波输出的参考信号
三、锁定放大器的应用实例
电路微分方程
dV0 V0 V1 c0 dt R0 R1
2. 同步积分器
原理图
等效电路
c1
dV0(1)
电路微分方程
dt R (1) dV0(2) V0(2) c2 (2) I i(2) dt R
V0(1)
I i(1)
3. 旋转电容滤波器
(a)原理图; (b) (c) 等效电路; (d)开关信号（参考）
单色光
参 考 光
探测器 2
锁定放大器 2
比例计
斩光器
参考信号
双频双光束检测法
分束镜 50:50