微弱信號(hào)檢測技術(shù)的研究

編號(hào) 微弱信號(hào)檢測技術(shù)的研究Research on Weak Signal Detection Technology學(xué) 生 姓 名專 業(yè)學(xué) 號(hào)學(xué) 院年 月 日I摘 要在自然現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中,經(jīng)常會(huì)遇到需要檢測毫微伏量級微弱信號(hào)的問題,比如測定地震的波形和波速、材料分析時(shí)測量熒光光強(qiáng)、衛(wèi)星信號(hào)的接收、紅外探測以及物電信號(hào)測量等, 這些問題都?xì)w結(jié)為噪聲中微弱信號(hào)的檢測。在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、遙感和材料學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。微弱信號(hào)檢測技術(shù)是采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)和物理學(xué)方法,分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律,研究被測信號(hào)的特點(diǎn)和相關(guān)性, 檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)。微弱信號(hào)檢測的宗旨是研究如何從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào),任務(wù)是研究微弱信號(hào)檢測的理論、探索新方法和新技術(shù), 從而將其應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域當(dāng)中。本文對弱信號(hào)的定義和弱信號(hào)的應(yīng)用范圍進(jìn)行了概述,綜述了微弱信號(hào)檢測理論研究和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況,重點(diǎn)比較了目前在微弱信號(hào)檢測技術(shù)中應(yīng)用的方法: 相關(guān)檢測、鎖相放大器微弱信號(hào)檢測、取樣積分法、基于小波分析的微弱信號(hào)檢測、基于混沌振子的微弱信號(hào)檢測,最后總結(jié)了各個(gè)方法的特點(diǎn)。關(guān)鍵字 ：微弱信號(hào) 檢測 噪聲 鎖相放大器IIABSTRACTIn 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 amplifierIII目 錄摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 緒論 .11.1 引言 .11.2 微弱信號(hào)的定義 .11.3 微弱信號(hào)的應(yīng)用范圍及當(dāng)前的研究背景 .11.4 微弱信號(hào)檢測的原理 .2第 2 章 相關(guān)檢測法 .42.1 自相關(guān)檢測 .42.1.1 自相關(guān)檢測的舉例 .52.2 互相關(guān)檢測 .62.2.1 互相關(guān)檢測的特點(diǎn) .7第 3 章 鎖相放大器微弱信號(hào)檢測 .83.1 鎖相放大器介紹及應(yīng)用 .83.2 鎖相放大器的原理 .93.3 鎖相放大器特點(diǎn) .113.4 系統(tǒng)中相關(guān)器的分析 .113.5 鎖相放大器的局限性 .12第 4 章 取樣積分法 .134.1 取樣積分器的工作原理 .134.2 取樣積分器的信噪比改善系數(shù) .154.3 取樣積分器的工作方式 .164.3.1 定點(diǎn)式取樣積分器 .164.3.2 掃描式積分取樣器 .16第 5 章 基于小波分析的微弱信號(hào)檢測 .185.1 小波變換的介紹及發(fā)展 .185.2 小波變換應(yīng)用舉例 .18第 6 章 基于混沌振子的微弱信號(hào)檢測 .216.1 基于混沌振子的微弱信號(hào)檢測的介紹 .216.2 基于混沌振子的微弱信號(hào)檢測的原理 .21結(jié)束語 .23參考文獻(xiàn) .241第 1 章 緒論1.1 引言科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，人類對客觀世界的認(rèn)識(shí)越來越細(xì)微、越來越深入。極端條件下的物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為人類認(rèn)識(shí)自然的重要手段，而這些經(jīng)常離不開及其微弱信號(hào)的檢測。同時(shí)生產(chǎn)、生活的發(fā)展也經(jīng)常要求用到弱信號(hào)檢測技術(shù)。這里的弱信號(hào)通常指的是一些非常微弱的物理量，如弱光、弱聲、弱磁、微小位移，溫度等等，這些微弱物理量一般都要通過各種傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來進(jìn)行檢測。但這種弱電信號(hào)常常淹沒在很強(qiáng)（往往上千倍數(shù)十萬倍甚至更強(qiáng)）的背景噪聲中，而且弱信號(hào)本身也往往存在漲落，這種漲落也構(gòu)成噪聲。因此從如此強(qiáng)的背景噪聲中檢測出所需要的信號(hào)，便成了一門很重要的技術(shù) 1。1.2 微弱信號(hào)的定義在自然現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中, 經(jīng)常會(huì)遇到需要檢測毫微伏量級信號(hào)的問題, 比如測定地震的波形和波速、材料分析時(shí)測量熒光光強(qiáng)、衛(wèi)星信號(hào)的接收、紅外探測以及生物電信號(hào)測量等, 這些問題都?xì)w結(jié)為噪聲中微弱信號(hào)的檢測。在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、遙感和材料學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。微弱信號(hào)檢測技術(shù)是采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)和物理學(xué)的方法, 分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律, 研究被測信號(hào)的特點(diǎn)和相關(guān)性, 檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)。微弱信號(hào)檢測的宗旨是研究如何從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào), 任務(wù)是研究微弱信號(hào)檢測的理論、探索新方法和新技術(shù), 從而將其應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域當(dāng)中。1.3 微弱信號(hào)的應(yīng)用范圍及當(dāng)前的研究背景隨著現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)的發(fā)展，人們越來越需要從強(qiáng)噪聲中檢測出有用的微弱信號(hào)，于是逐漸形成了微弱信號(hào)檢測這門新興的科學(xué)技術(shù)學(xué)科，其應(yīng)用范圍遍及光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域。微弱信號(hào)檢測2技術(shù)是利用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)，或用一些新技術(shù)和新方法來提高檢測系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比，從而提取有用信號(hào)。微弱信號(hào)檢測所針對的檢測對象，是用常規(guī)和傳統(tǒng)方法不能檢測到的微弱量。對它的研究是發(fā)展高新技術(shù)，探索及發(fā)現(xiàn)新的自然規(guī)則的重要手段，對推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，微弱信號(hào)檢測的原理、方法和設(shè)備已經(jīng)成為很多領(lǐng)域中進(jìn)行現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究不可缺少的手段。顯然，對微弱信號(hào)檢測理論的研究，探索新的微弱信號(hào)檢測方法，研制新的微弱信號(hào)檢測設(shè)備是目前檢測技術(shù)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。1.4 微弱信號(hào)檢測的原理微弱信號(hào)檢測技術(shù)就是研究噪聲與信號(hào)的不同特性，根據(jù)噪聲與信號(hào)的這些特性，擬定檢測方法，達(dá)到從噪聲中檢測信號(hào)的目的。微弱信號(hào)檢測的關(guān)鍵在于抑制噪聲，恢復(fù)、增強(qiáng)和提取有用信號(hào)，即提高其信噪改善比(SNIR)。根據(jù)式(1)信噪改善比(SNIR)定義：SINR= = (1)輸 入 信 噪 比輸 出 信 噪 比 iNSo)/(即輸出信噪比(SN)o與輸入信噪比(SN)i之比。SNIR越大，表示處理噪聲的能力越強(qiáng)，檢測的水平越高。從信號(hào)處理系統(tǒng)的信噪改善比，可簡單地論述微弱信號(hào)檢測的原理，下面用一例子來討論SNIR的表達(dá)式。如果噪聲在很寬的頻率范圍內(nèi)具有恒定的功率譜密度，則稱這種噪聲為白噪聲。所謂譜密度即單位帶寬的噪聲，若已知噪聲功率譜密度，則噪聲功率可表示為：Pn= =Vno2。等效噪聲寬帶 = ，其中 為放大器輸入端到輸0)(dfSnBe0dfKvosov出端的傳遞函數(shù)。如圖1所示，設(shè)某系統(tǒng)的輸入噪聲為白噪聲(電阻噪聲)，其信號(hào)處理系統(tǒng)的輸入信號(hào)電壓和輸出信號(hào)電壓分別為Vsi 和Vni ，輸入噪聲電壓和輸出噪聲電壓分3別為Vso 和Vno，圖 1 推導(dǎo) GNIR的示意圖輸入噪聲為帶寬白噪聲，其噪聲帶寬Bi，噪聲功率譜密度為Sni，則輸入噪聲的均方值為 = 。若系統(tǒng)的電壓增益為Kv(f)，系統(tǒng)的噪聲等效寬帶為niV2BiS，則輸出噪聲的均方值為：Be(2) 02022 )()( KvoBeSnidfvKnidfviKo式中， ，顯然可得到系統(tǒng)的SNIR為：siVSNIR= (3)eivioinio22由式(3)可得：信號(hào)處理系統(tǒng)的信噪改善比等于輸入(白)噪聲帶寬與系統(tǒng)的噪聲等效帶寬之比，減少系統(tǒng)的噪聲等效寬帶就可以提高系統(tǒng)的輸出信噪比。對于信噪比小于1的被噪聲淹沒的信號(hào)，只要信號(hào)處理系統(tǒng)的噪聲等效帶寬做得很小，就可以將信號(hào)從噪聲中提取出來，這就是通常的微弱信號(hào)檢測技術(shù)的指導(dǎo)思想之一 2-3。4第 2 章 相關(guān)檢測法信號(hào)與噪聲有本質(zhì)區(qū)別。前者是有規(guī)律的，能夠重復(fù)，其后續(xù)信號(hào)與早先信號(hào)是有關(guān)聯(lián)的，信號(hào)可以用一個(gè)確定的時(shí)問函數(shù)來描述；而后者恰恰相反，不能用一個(gè)確定的時(shí)間函數(shù)來描述。因此，可利用信號(hào)自身存在的規(guī)律(即相關(guān)勝)來尋找信號(hào)，也可以利用個(gè)與被測信號(hào)規(guī)律性(二者之間也有相關(guān)性)部分相同的已知信號(hào)來尋找被測信號(hào)，達(dá)到去除噪聲的目的，這就是相關(guān)性原理的基本點(diǎn)。相關(guān)檢測技術(shù)就是根據(jù)相關(guān)性原理，通過自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算，以最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲，達(dá)到檢測微弱信號(hào)的一種技術(shù)。信號(hào)在時(shí)間上相關(guān)，噪聲在時(shí)間上不相關(guān)。這兩種不同的相關(guān)特性，可以把深埋于噪聲中的周期信號(hào)提取出來，這是微弱信號(hào)檢測的一種有效方法。根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，可以利用乘法器，延時(shí)器及積分器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而將周期信號(hào)從噪聲中檢測出來，這就是所謂的“相關(guān)檢測” 。相關(guān)檢測可分為自相關(guān)檢測與互相關(guān)檢測 4。2.1 自相關(guān)檢測自相關(guān)函數(shù)表示隨機(jī)變量f(t)與延時(shí)了時(shí)間間隔為 的同一變量的相關(guān)性。若t為時(shí)間自變量，則其滿足關(guān)系式：(4)dftfTtR0)(1)(lim式(4)實(shí)現(xiàn)自相關(guān)檢測的原理，如圖2所示。 )()(tnstxiii乘法器 積分器 )(Rx)(tx5圖 2 自相關(guān)檢測原理圖通過積分器輸出得到：2)(1lim)()(TdtxtRxn 2 )()()(liT ii dttntSntSi )(nnssns RR（5）Rsn()、Rns()分別表示信號(hào)和噪聲的互相關(guān)函數(shù)，由于信號(hào)與噪聲不相關(guān)，故幾乎為零；而 Rnn()代表噪聲的自相關(guān)函數(shù)，隨著積分時(shí)間的適當(dāng)延長，Rnn()也很快趨于零；因此，經(jīng)過不太長的時(shí)間積分，積分器之輸出中只會(huì)有一項(xiàng) Rss()，故:這樣，便可順利地將淹沒在噪聲中的信號(hào)檢測出來。2.1.1 自相關(guān)檢測的舉例例如，被檢測信號(hào)為一余弦信號(hào)時(shí)，設(shè)：， 則 。tEtSi1cos)(12cos)(TERs相應(yīng)的自相關(guān)檢測輸出波形如圖 3 所示:延時(shí)器 D )(tx6圖 3 輸出波形圖 Rss() 為信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，它與信號(hào)同頻的余弦函數(shù)，Rnn() 為噪聲的自相關(guān)函數(shù)，隨 的增加，衰減得很快，Rxx()為輸出端最初的波形，仍混有噪聲的干擾。 2.2 互相關(guān)檢測互相關(guān)函數(shù)指兩個(gè)不同的隨機(jī)變量之間的統(tǒng)計(jì)依賴型。兩個(gè)有同一自變量的函數(shù)f(t)和F(t)是可能存在著關(guān)聯(lián)的，無論這兩個(gè)函數(shù)是隨機(jī)函數(shù)還是非隨機(jī)函數(shù)。描述其關(guān)聯(lián)