微弱信号检测的原理和方法

光电信号处理
微弱信号检测的基本原理与方法
第三章微弱信号检测的基本原理与方法§3.1 低噪声电子设计的适用范围
§3.2 窄带滤波法
§3.3 双路消噪法
§3.4 同步累积法
§3.5 锁定接收法
§3.6 取样积分法(Boxcar方法)
§3.7 相关检测法
§3.8 光子计数技术
§3.9 计算机处理方法
§3.10 常用弱检仪器
§3.1 低噪声电子设计的适用范围1低噪声电子设计的适用范围
前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些基本方法。

这些方法使用的前提是要求在电信号处理的输入端有足够大的信噪比，处理的结果是使信噪比不至于变坏。

如果在信号处理系统的输入端，信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，仅用低噪声电子设计的方法就不行了。

这时，必须根据信号和噪声的不同特点，采用相应的方法将信号与噪声分离。

2微弱信号检测的途径
微弱信号检测的途径：
●一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；
●二是研制适合弱信号检测的原理，并能满足特殊需要的器件，
●三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号，
这三者缺一不可。

从数学表达式看，SNIR是噪声系数NF的倒数，但实质上两者是有差别的。

●噪声系数是对窄带噪声而言的，并且得到结论NF≥1。

这个结论的产生是由于假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的带宽；
●实际上输入噪声的带宽要大于放大系统的带宽，因而噪声系数NF便有可能要小于1，同时又考虑到实际的情况，因此而给出信噪比改善的概念。

§3.2 窄带滤波法
●原理：利用信号的功率谱密度较窄而噪声的功率谱相对很宽的特点，
●方法：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来。

●由于窄带通滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信噪比能得到很大的提高。

功率谱密度曲线：
有限正弦信号白噪声
由图看出：使用了窄带通滤波器后，
如果B 选得很窄，则输出信噪比还能更大一些，
窄带通滤波器在白噪声条件下的信噪比改善：
1
＞划斜线的矩形面积
信号主峰下的面积
输出信噪比＝ni
si n s P P P P SNIR //0
0=
窄带通滤波器的实现方式很多：
常见的有双T选频，LC调谐，晶体窄带滤波器等，其中双T选频可以做到相对带宽等于千分之几左右（f
为带通滤波器的中心频率）
晶体窄带滤波器可以做到万分之几左右。

即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，
因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。

更好的方法是用锁定放大器和取样积分器，这在后面再作讨论。

§3.3双路消噪法
●原理：
利用两个通道对输入信号进行不同的处理，然后设法消去共同的噪声，最后得到有用的信号。

●特点：
这种方法只能用来检测微弱的正弦波信号是否存在，并不能复现波形。

双路消噪法的原理框图
z 设输入信号频率为f 0的正弦波，并混有强的噪声，将其送入上下两个通道。

z
进入上通道的信号经过放大器后，再经过一个中心频率为f 0的窄带带通滤波器，变成正弦波加窄带噪声，这个信号通过正向检波积分器后输出一个正极性直流电压，上面叠加了随机起伏的成分。

z进入下通道的信号经过放大器后，再经过一个
的带阻滤波器（或称陷波器），中心频率为f
于是正弦波信号被滤掉，剩下噪声；
z噪声通过负向检波积分器后，输出一个在某个负电平上下随机起伏的电压量。

z上下两通道各自检波积分后的输出同时送给一个加法器，于是正负极性的噪声电平要抵消一部分，剩下很小的起伏电压，
z因而输出信噪比得到提高。

z加法器出来的信号，最后再通过一个阈电路进行计数。

z加法器通常做成可调，使得无正弦波而仅有噪声时，加法器的输出略为正，但是不超过阈电路的阈值电平，因而计数器通常无计数。

但考虑到加法器输出的电压有起伏，所以，有时会有高于阈值的脉冲电压通过阈电路产生本底计数，但由于噪声的统计性，本底计数的次数在某个一定的时间内t是个恒定值，可以通过实验测出这个时间t。

z如果输入信号中有正弦波存在，那么在这个时间t内的计数就会增加。

z所以，通过观察t时间内计数的变化，就可以判断正弦波信号是否存在。

§3.4同步累积法
●基本原理：
利用信号的重复性和噪声的随机性，对信号重复测量多次，使信号同相地累积起来。

噪声则无法同相累积，使信噪比得到改善。

●测量次数越多，则信噪比的改善越明显。

同步累积器的原理框图同步累积器的原理框图如图所示:
其中V
1（t）为输入信号，
V 2（t）为与V
1
（t）周期相同的参考信号，
同步开关受V
2（t）产生的控制信号控制，
保证V
1
（t）在累积器中同相地累积起来。

注意:
在实际应用同步累积法的时候，必须注意满足三个条件：
（1）信号应为周期信号
（2）有适当的累积器
（3）能做到同相累积
z要保证做到同相累积，则要根据不同的被检测信号波形，确定不同的参考信号。

§3.5 锁定接收法●锁定接收法的原理框图如下:
V 1(t)为输入信号，V
2
(t)为参考信号，
这两个信号同时输入乘法器进行乘法运算，再经过积分器，得到输出信号V
(t)。

由上式可见，锁定接收法最后得到的是直流输出信号，而且这个直流信号的大小和两信号的dt
t )]2cos()2121ϕϕωϕϕ++−−
当噪声的频率不为ω时，亦有同样结果。

这表明当积分时间很大时，锁定放大器对噪声的抑制能力很强。

在实际中，由于T不可能做得很大，或者积分器用低通滤波器来代替，这时锁定放大器的输出的噪声不为零，而在零附近起伏变化。

§3.6 取样积分法(Boxcar方法) 1 工作原理
z若一个十分微弱的周期性
信号被背景噪声所掩埋，
如何从背景噪声中检出这
周期性的信号呢？
z如图所示，是被噪声所淹
没了的周期信号。

Boxcar：形象地描述了取样积分法，
取样积分又称为Boxcar方法
实现取样积分法(Boxcar方法)的条件：
①微弱周期信号的周期是已知的，
这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的，
②被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系，
或者相等，或者存在某种函数关系。

z如果能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；
z经过ｍ次取样后，如同同步累积法一样，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分，所以信号在噪声中显现出来。

z如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。

Boxcar法原理框图:
这种取样积分法，只能恢复周期性信号某一点的幅值，故称为定点取样工作模式。

2 取样积分器与同步积分的异同点
取样积分和同步累积两者的异同点:
取样积分分为两种：
z单点取样积分：只是对信号的某一点进行同步累积，从而加强信号而噪声相互消除，这称为单点取样积分；
z多点取样积分器，多点取样积分则可恢复原微弱信号的的波形。

同步累积法只是使信号同相地累积起来，同步积分器是在信号持续的半个周期内对信号进行积分。

z而取样积分器，是对周期信号的某一点取样并累积。

4 扫描取样积分器
z在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就得到以扫描方式工作的取样积分器。

如图：
z当取样脉冲对准t1位置取样积分m次后，将取样脉
）
冲在时间轴上向右移动Δt（一般来说Δt<T
g
z对准t2位置再取样m次，然后又向右移动Δt，对准t
取样积分m次……
3
z直到取样脉冲移动扫过信号的一个完整的周期，
z若T g/Δt=n s，即当移动n s次后，正好是一
的间隔。

个门宽T
g
z可以证明，在线性累积扫描工作方式的取样积分器中，n
是用来计算信噪比改善的测
s
量次数，即：
SNIR = n
s
z实际上这里的n s即前述的m，对准某一点取样的m次，是通过重迭扫描来实现的。

5 多点信号平均器
z扫描取样积分器在信号重复出现的一个周期内只对信号取样一次。

因此要取出信号一个周期内的完整T的时间。

波形需要n
i
因此，取样积分器在时间上的利用率是很低的。

z为了缩短恢复波形所需要的时间，可以使用多个取样积分器，在每个信号重复周期内对信号逐次多点取样。

z在有效的观察时间内，信号每重复一次，各取样积分器上存储的信号电压就进行一次累加，多次累加的结果，使信噪比得到改善;
z多点信号平均器就是这样一种实时取样系统，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。

多点信号平均器有模拟式和数字式两种:模拟式多点平均器的存贮器是电容
数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器模拟式多点信号平均器原理框图如图:
z多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是一个强有力的工具，
z由于Boxacr是单点步进多次取样平均，因此需要测量时间很长。

z而多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信号多点取样，所以可节省测量时间，
z在获得同样SNIR的情况下多点信号平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。

因此，可以节省大量时间。

z多点信号平均器是实时取样，不会使被恢复的弱信号变形（拉长），这是Boxacr所不能比拟的。

§3.7 相关检测法
1 引言
z为了将被噪声所淹没的信号检测出来，研究各种信号及噪声的规律，
z发现信号与信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号与噪声的延时相乘后累加的的结果，从而提出了“相关”的概念。

z由于相关的概念涉及信号的能量及功率，因此先给出功率信号和能量信号的定义。