第八章微弱信号实际检测

T /2
x(t) y(t )dt
T / 2
T
56
两个随机过程的相关性
互相关Ryx 函数：
LimT1 Ryx( )
T /2
y(t)x(t )dt
T / 2
T
57
随机过程的相关性
自相关函数：
R( )

Lim 1 T
T /2
T / 2
x(t)x(t
)dt
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一、取样积分器的工作原理
1、取样门及积分器
取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信 号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。 若输入信号为Vsi，经过积分器M次积累后所得到 的输出电压为
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噪声电压是随机量Vni ，经过m次积累以后， 相加所得值Vn仍为随机变量
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通过累积以后获得的信噪比为 通过累积以后信号噪声幅值比(SNIR)为
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典型电阻器的总噪声
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各种电阻的噪声指数
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半导体二极管的散粒噪声
半导体二极管中的散粒噪声是在接通电压 后，电流通过PN结产生的。在不同时刻通 以PN结位垒的载流子的数目是随机的,时多 时少，因而造成电流的起伏。这种由于位 垒中载流子的散粒性所产生的噪声，称为 散较噪声。
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半导体三极管的内部噪声
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锁定放大器的工作原理
1962年第一台仪器问世。据统计，已在几 百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器 中锁定放大器是一个非常重要的品种。
信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当 于Q值=108）。
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两个随机过程的相关性
对两个信号，定义相关函数
互相关Rxy 函数
LimT1 Rxy( )
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44
45
46
信噪比改善
定点式取样积分器按照定点取样m次的法则， 不难理解幅值信噪比改善为 的结论。
对扫描式取样积分器由于可变时延的取 样脉冲在取样过程中取样点是逐渐变化的， 所以它的取样过程受到门脉冲宽度的限制， 只有在门宽范围内才能被取样。
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由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而 取样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以 至在输入的被测信号波形上每一“点”依次可以掠过 多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样“点”进 行多次积累平均。
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举例
举例 用取样法组成的测光系统 使用双通道取样积分器的激光分析
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50
51
具有基线取样的取样积分器
52
双通道取样积分系统
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锁相放大器
锁相放大器又称锁定放大器．它也是一 种微弱信号的检测仪器。它起到了一个极 窄的带通滤波器的作用，而不是普通滤波 器。它的原理也是基于信号和噪声在相关 特性方面的差别。
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测量技术的分类
非相关测量
普通的电压表，示波器，频率计等 使用方便，用途广泛
相关测量
锁定放大器，同步积分器，光子计数器,数 字滤波器等
抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高
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取样积分器
取样积分器(Boxcar)， 是一种微弱信号检测系统。 它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重 复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次， 然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取 样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。 因为信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声 多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信 噪比，再现被噪声淹没的信号波形。

7
在检测系统中，可以处理的最高信号电平受电路特性的限 制，但最小可检测电平取决于噪声。也就是说，噪声限制 了传感器的分辨率和系统的动态范围。
当一个系统的信号扰动很大，在无法区分是干扰还是噪 声时，可先加以屏蔽。频率高于1000Hz或阻扰大于1000 欧时，一般采用金属导体屏蔽，如铝或铜等。对于低频扰 动或低阻抗的情况，可采用磁屏蔽，如铁镍导磁合金等。 此外，也可先给前置放大器单独供电如有效果，说明噪声 主要来自外部干扰，则可进一步采取屏蔽措施。如果还不 能减少扰动，就应认为噪声主要是系统内部元部件的随机 的基本噪声。
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噪声电压不仅某一瞬间取值是随机的，且 噪声电压随时间变化也是随机的、故称为 随机过程。但系统处于稳态时，不同时刻 噪声的概率分布规律是一样的，因此又称 为平稳随机过程。
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平稳随机过程的另一个重要特征量是它的 相关函数 。它表示随机过程二个不同时
间上的相关性，其定义
29
30
噪声的相关函数
例屏蔽线，铜罩壳等。
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噪声的屏蔽
电感性耦合
减少回路面积， 用铁磁性物质包围噪声源。例如，变压器的外壳，
双绞线。
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接地
接大地：
消除电位差；消静电。
接信号地：
信 号 的 公 共 点 ， 提 供 信 号 回 路 ， 减 少 阻 抗 。 1MHz低频以下可采用一点接地，10MHz以上高 频可采用大面积多点接地。还要注意区分模拟地 和数字地。
半导体三极管中载流子从发射结注入基区后，大 部分流向集电极，成为集电极电流，小部分在基 区与异性的载流子复合，成为基极电流。载流子 在基极中的复合作用是随机的,时多时少,复合较少 时流向集电极的载流子就多，因而集电极电流大； 反之，集电极电流小，基极电流大。从而集电极 电流中包含着由于的集电极电流和基极电流分配 比例发生变化而引起的输出电流起伏，这种起伏 分量而形成的噪声称分配噪声。
T
白噪声，自相关函数=0
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相关检测
乘法器
x(t) S(t) n(t)
信号通道
பைடு நூலகம்延迟
参考通道
积分器
Rss(τ)
x(t ) S(t )n(t )
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相关检测
设有信号S(t)，通过如上图所示的功能 器件，则有：
R(
)

1 T

[S (t )

n(t )] [S (t

)

n(t

)]
dt
RSS ( ) Rnn ( )
如果参考信号是“干净”的，则只剩下第 一项。
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3．扫描式取样积分器
扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号 波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。 它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样 脉冲控制下作同步积累这两个过程。
扫描式取样积分器可得到形状与输入的 被测信号相同，而在时间上大大放慢了的 输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声 中提取信号并恢复波形。
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一个取样积分器的核心组件是取样门和积分 器，通常采用取样脉冲控制RC积分器来实 现，使在取样时间内被取样的波形作同步 积累，并将所积累的结果(输出)保持到下一 次取样
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取样门及积分器
38
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取样积分器通常有两种工作模式，即定 点式和扫描式。定点式取样积分器是测量 周期信号的某一瞬态平均值；
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电阻热噪声
检测系统的内部噪声主要由电阻和各种器 件产生的。
噪声是自由电子热运动所产生，故通常称 它为热噪声。热噪声电流在电阻内流动时， 电阻两端就产生噪声电压。因此在
必须考虑热噪声的情况下，任何一个电阻 器在电路中的作用，等效于一个无噪声电 阻和一个热噪声电压串联
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电阻的过剩噪声

6
材料、器件或部件的物理原因产生的噪声。如处 于绝对零度以上的任何导电体均具有的热噪声； 晶体管、电子管或光电器件中，因电子随机作用 而产生的散粒噪声等，均属于这类噪声。这类噪 声是由大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位部是 随机的，脉冲的形状 (时间函数)也不一定相同。 但任一噪声脉冲的能量只占总噪声能量的极微小 部分。这些脉冲的叠加，即产生所谓的随机噪声。
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(4)闪耀噪声(1／f噪声) 闪耀噪声的功率谱密度与频率成反比，它
是低频噪声。实验表明，它的大小与半导 体材料及其表面漏电流有关。
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(5)尖峰噪声 。一般认为产生原因是器件中PN结的缺陷
所造成的。在信息检测中尖蜂噪声影响 校严重。在扬声器中会发出象炒玉米的爆
炸声，故又叫爆裂噪声。
-8
市电
50Hz
100Hz
150Hz
调幅 广播
典型宽带 干扰范围
调频 广播
200Hz
-6
-4
-2
0
+2
+4
+6
+8
频率
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实验室环境的噪声与干扰分布
检测系统的屏蔽与接地
噪声的引入:
电容性耦合：电场引起，噪声源内阻高 电感性耦合：磁场引起，噪声源内阻低
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噪声的屏蔽
电容性耦合：
降低电路的阻抗， 在噪声源与信号线之间建立导电屏障，屏障接地。
关通/断；高能量的脉冲电流或电压；机械 振动；太阳活动；雷电等
5
对有用信号来讲，干扰和噪声是讨嫌的扰动。 为了区别，常把可以减少或消除的外部扰动称 为干扰，而把由于材料或器件的物理原因所产 生的扰动称为噪声。
来自检测系统外部干扰，如市电50或100HZ交 流干扰，电台的调幅广播信号或电源的开关火 花干扰；脉冲激光、雷达发射或电路中高能窄 脉冲引起的宽带干扰；元件或部件的机械振动 产生额噪效应等。这些干扰绝大多数是“人为 的”，采取适当的屏蔽、滤波或元件合理配置 等措施干扰是可以减小和消除的。
放大器的噪声是检测系统的主要成份之一， 也是影响测量仪器灵敏度的重要因素。
(1)电阻热噪声.半导体三极管内的损耗电阻 产生电阻热噪声。具体地讲它是由基极电 阻和各电极接线的损耗电阻产生的。
(2)散粒噪声.与PN结二极管一样，半导体 三报管的两个PN结的电流也产生散粒噪声 电流。
21
(3)分配噪声(高频噪声)
8
实验室中的典型噪声环境
50Hz
电源布线，仪器内部功率单元等
50Hz的谐波
可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛 刺
电气触点的通/断
触点的通/断总伴随着电火花或电弧
9
实验室中的典型噪声环境
高频信号
开关电源 大功率高频振荡器
1/f 噪声
10
单位带宽的相对功率
+7 +6 +5 +4 +3 +2 10 1 0
随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，在任何时刻 它的幅度、波形及相位那是随机的。但每一种噪声还是服 从于一定的统计分布规律，因此又是可统计的。例如，只 要产生噪声过程的条件不变，噪声功率或给定时间区间内 的能量就不变，它在时间域内的幅度平均值是零。大多数 噪声瞬时幅度的概率分布是正态的，即符合高斯分布规律
3
噪声与干扰
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。
锁定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。
4
噪声与干扰
宽带的或持续的无用信号 瞬时的或窄带的无用信号 市 电 50Hz 或 100Hz （ 整 流 等） ； 电 台 ； 开
扫描式取样积分器则可以恢复和记录被 测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。
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2．定点式取样积分器
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定点式取样是对被噪声淹没的信号在固 定点取样、平均，所以经m次取样平均后， 其幅值信噪比改善为
定点式取样积分器仅能在噪声中提取信 号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，不 同的定点可通过手控延时电路来实现。
微弱信号检测技术
锁相放大器 取样积分器 光子计数
1
空间物体检测 光谱测量 生物荧光检测
2
1 引言
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，研究被测信号的特点和 相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。
在检测系统、图象传榆和通信设备中出现 噪声时，仪器的精度、稳定性及重复性就明 显降低,由于噪声电报误码率增高，使通信无 法正常进行，雷达无法跟踪目标，在电视荧 光屏上呈现一片“雪花”，图象模糊不清。
24
低噪声设计中，在选译电路元、器件时应 尽且减少或避免噪声的引入。
(一)电容器的选择 在低噪声设计中常用云母和瓷介电容器。
大容量电容器中，铝壳的电解电容器漏电 较大，钽电解电容器漏电小，所以钽电解 电容器适合在低噪声电路中使用。
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在微弱信号检测技术中，需要处理的主要是基本噪声且绝 大多数是随机噪声。
当电阻中流过直流电流时，往往产生过剩噪声。 过剩噪声是指在电阻的基本热噪声之外多余出来 的噪声。由于它是电流通过电阻时产生的噪声， 所以又称电流噪声。在电流流过不连续的导体， 如电阻器时即产生这种噪声。合成碳质电阻是碳 粒同粘合剂的混合物压制而成的.由于电导率是不 均匀的. 直流电流不是均匀地流过电阻器,在碳粒 之间有一些象微弧跳变的东西，因而产生电流尖 峰或脉冲。这些电流尖峰或脉冲即是过剩噪声。 电阻器越均匀，过剩噪声越小。合成碳质电阻器 噪声最大，金属膜和线绕电阻器的噪声较小.