微弱信号检测学 第1章 噪声基础知识

0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效
一、微弱信号检测
微弱信号检测（Weak Signal Detection，简称WSD） 是测量技术中的综合技术和尖端领域，由于它能测量传统观 念认为不能测到的微弱量，所以获得了迅速发展和普遍重视。
对于众多的微弱量（如弱光、小位移、微振动、微温差、 小电容、弱磁、弱声等），一般都通过各种Hale Waihona Puke Baidu感器作非电量 转换，使被检测量转变成电学量（如电压或电流）。当被检 测量非常微弱时，被检测量本身的涨落、传感器的噪声及测 量仪表的噪声，表现出来的总效果是，有用的被测信号被大 量的噪声和干扰所淹没，使测量受到限制。
微弱信号检测学
参考教材
[1]林理忠,宋敏. 微弱信号检测学导论. 北京： 中国计量出版社，1996
[2]陈佳圭. 微弱信号检测. 北京：中央广播电 视大学出版社，1987
[3]曾庆勇. 微弱信号检测. 杭州：浙江大学出 版社，1994
[4]戴逸松. 微弱信号检测方法及仪器. 北京： 国防工业出版社，1994
3．弱磁测量
当磁信号低于地磁水平时，必须采用微弱信号检测手段。 检测弱磁场目前比较常用的是磁通门磁力计（其噪声水平是 10-11—10-12T量级），但是利用超导量子干涉器件（SQUID） 完成的磁力计，可以检测到更弱的磁场（其噪声范围是1014T量级）。
0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效
一、微弱信号检测
微弱信号检测的目的是利用电子学、信息论、物理学的 方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被检测信号的特点 （如信号频谱、相干性等），然后对被噪声覆盖的弱信号进 行提取和测量。它的任务是发展微弱信号检测的理论，探索 新的方法和原理，研制新的检测设备以及在各学科领域中的 推广应用。
弱磁测量有很重要的意义，比如在地质勘探、矿藏普查、 军事上的潜艇搜寻、医学上的临床诊断等都需要对弱磁场进 行定量检测。但是在弱磁的测量中，常受到地磁场的干扰， 尤其是地磁起伏。以人体磁信号为例，图0-1是人体各种器官 的磁信号强度和地磁起伏强度的范围。
0-2 微弱信号检测及其当前的研究成效
二、应用成效
测量技术的进步将推动科技进步。当然，测量技术是科技 的一部分，是被科技发展要求所推动，被其它科技的成就 所推进。
0-1 测量技术的重要性及当前发展方向
二、测量技术的发展方向
测量速度：测量速度的提高，一方面可节约测量时间；另一方 面还意味着对被测量的快速变化的响应和处理能力的提高。 因此可应用于实时监控、瞬变现象快速动力学过程研究等。 例如，简单的距离测量，如果不能快速获得结果，就无法获 得运载火箭的飞行轨迹，也就不可能作火箭的飞行控制。
[5]刘俊,张斌珍. 微弱信号检测技术. 北京：电 子工业出版社，2005
[6]高晋占. 微弱信号检测. 北京：清华大学出 版社，2010
第0章 绪论
本章主要内容： 0-1 测量技术的重要性及当前发展方向 0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效 0-3 本课程主要内容 0-4 考核方式及成绩评定
0-2 微弱信号检测及其当前的研究成效
二、应用成效
2．微电流的测量 微电流的测量也是微弱信号检测的内容。一般： I>10-6A——指针式电流计； 10-10A〈I〈10-6A——灵敏电流计； 10-14A〈I〈10-10A——灵敏静电计或振子测量仪；
I〈10-14A——微弱信号检测技术。 3．弱磁测量
20世纪80年代初，在特定的条件下，可使<1nV的信号获得满 度输出，信噪比提高到106。
粗略估计，平均每5-6年，测量极限提高一个数量级。因 此，过去认为不可测量的微观现象或弱相互作用所体现的弱 信号，现在已成为可能。这极大地推动了物理学、化学、天 文学、生物学、医学以及广泛地工程技术领域等学科的发展， 微弱信号检测，也就成为一门被人重视的、新兴的分支学科。
0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效
一、微弱信号检测
1928年，约翰逊（Johnson）对热骚动电子运动产生的噪 声进行研究，之后，大量科学工作者对信号的检测作出了重 要贡献；
1962年，美国PARC第一台相干检测的锁相放大器问世， 使检测的信噪比突然提高到103；
1968年，从大量二次电子的背景中测得Auger电子；
微弱信号检测学，就是研究从噪声中提取信息的方法及 技术的学科。由于目前对电子噪声研究较成功，微弱信号检 测与电子技术联系密切，发展较快。与其它方面的联系，尚 大有发展余地。
0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效
二、应用成效
1．促进了表面科学的发展 表 面 ： 是 指 固 体 表 面 1∽10 原 子 厚 的 薄 层 （ 10∽100Å） （1Å=10-10m）. 这一薄层内的原子除受自身的本体原子作用外，还受到 外界环境的影响，结果其结构、成分、形貌和性质与体内原 子有所不同，因此对它进行研究将会获得十分重要的信息。 目前，研究表面的手段，多数是将电子、离子、光子入 射到表面，使其与表面原子“相互作用”，然后分析其出射 电子、离子或光子的状况，从而取得相关信息。由于出射的 离子数，一般是不多的，具有特定特征的出射离子数更少， 因此，绝大多数情况，都必须利用WSD。
测量精度：精度是一个测量系统、一种测量方法优劣的重要评 判指标。测量精度的提高，意味着测量灵敏度的提高和测量 动态范围的扩大。测量灵敏度是指单位输入下的输出，其提 高，可获得更准确的实验数据、生产一些质量更高的产品。 测量动态范围的扩大是因为可检测下限下降了，这往往能促 使一些新现象的发现和应用。例如，俄歇谱的发现，如果没 有测量微弱二次电子的能力，这是不可能的。
0-1 测量技术的重要性及当前发展方向
一、测量技术的重要性
1 测量：是指对被检测对象（宇宙内万物）的物理、 化学、工程技术等参量作数值测定工作。
2 测量与科学技术的关系 测量在生活、生产、科研、国防等各方面，都是必不可少的。 生活中：称斤量尺； 生产中：依靠测量，保证产品的质量； 科研中：先进的测量技术，能帮助揭示新的客观规律； 现代国防中：只有利用先进的测量方法，才能进行侦察和制导。