微弱信號(hào)檢測(cè)論文

1、微弱信號(hào)檢測(cè)課程論文課程名稱：微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)原理及應(yīng)用學(xué)校： 南京信息工程大學(xué) 學(xué)院： 電子與信息工程學(xué)院專業(yè)： 電子信息工程系 姓名： 李 青 學(xué)號(hào)： 20081305071 日期： 2010年12月20日 摘要人們?cè)谘芯亢暧^和微觀世界的過(guò)程中，常需檢測(cè)極微弱的信號(hào)，常規(guī)儀表由于存在較大的內(nèi)部噪聲，信號(hào)常被噪聲淹沒，使采用放大器和濾波器無(wú)法檢測(cè)出有用信號(hào)。由于信號(hào)具有周期性、相關(guān)性，而噪聲具有隨機(jī)性，所以采用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)時(shí)，可以把信號(hào)中的噪聲排除。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法采用模擬技術(shù)，先將信號(hào)經(jīng)放大通道放大后，再利用鎖定放大器（LIA）與參考通道信號(hào)完成相關(guān)運(yùn)算。由于鎖定放大器價(jià)格昂貴，體積較大，一

2、般不適合于小系統(tǒng)和戶外運(yùn)行的設(shè)備。如果把中的相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成功率譜計(jì)算，就可以采用數(shù)字器件取代LIA，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)器。在微弱信號(hào)檢測(cè)（Weak Singal Detection）過(guò)程中許多非電量的微小變化都是通過(guò)一定的傳感器將其變換成電信號(hào)進(jìn)行放大再顯示或記錄的。由于這些微小的變化通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變成的電信號(hào)十分微弱，可能是 V， V，甚至 V或更少。對(duì)于這些弱信號(hào)的檢測(cè)，無(wú)疑噪聲是其主要干擾，噪聲對(duì)于弱檢測(cè)是無(wú)處不在的。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)主要針對(duì)克服所謂“電子噪聲”的影響，噪聲包括熱噪聲、散粒噪聲和低頻噪聲，它們一般來(lái)自構(gòu)成檢測(cè)電路系統(tǒng)的元器件的內(nèi)部或表面狀態(tài)?；蚩梢哉f(shuō)來(lái)自進(jìn)行檢測(cè)的傳感器和檢測(cè)儀

3、器。經(jīng)傳感器探測(cè)并轉(zhuǎn)換成的微弱的電信號(hào)，需要通過(guò)電子線路放大，才能進(jìn)行顯示或記錄，弱檢測(cè)量本身的漲落及所用傳感器的本底以及測(cè)量?jī)x表底噪聲影響，表現(xiàn)出來(lái)底總效果是：有的被測(cè)信號(hào)被大量的噪聲和干擾信號(hào)所淹沒。因此，微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是利用電子學(xué)的、信息論的和物理學(xué)的方法，分析噪聲的原因及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，研究被檢測(cè)量信號(hào)的特點(diǎn)及其相干性，利用現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)理論方法過(guò)程從而將深埋在背景中的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。關(guān)鍵詞：內(nèi)部噪聲 相關(guān)檢測(cè)技術(shù) 模擬技術(shù) 功率譜計(jì)算 電子噪聲 電子線路放大目錄1微弱信號(hào)檢測(cè)的原理.42微弱信號(hào)檢測(cè)的方法.52.1 相關(guān)檢測(cè)法.52.2 取樣積分法.73應(yīng)用實(shí)例.9 3.1 用相關(guān)測(cè)

4、量運(yùn)動(dòng)物體的移動(dòng)速度.93.2 利用取樣積分器檢測(cè)霍爾電勢(shì).94. 結(jié)束語(yǔ).101微弱信號(hào)檢測(cè)的原理 微弱信號(hào)檢測(cè)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(cè)方法，大道從噪聲中檢測(cè)信號(hào)的目的。微弱信號(hào)檢測(cè)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： （1）即輸出信噪比（S/N）0與輸入信噪比（S/N）i之比。SNIR越大，表示處理噪聲的能力越強(qiáng)，檢測(cè)的水平越高。從信號(hào)處理系統(tǒng)的信噪比，可簡(jiǎn)單的論述微弱信號(hào)檢測(cè)的原理，下面用一例子來(lái)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

5、，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=Vn。2=0Sn（f）df 。等效噪聲帶寬Be=0Kv。df，其中 為放大器輸入端到輸出端的傳遞函數(shù)。如圖一所示，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Vso輸入噪聲電壓和輸出噪聲電壓分別為Vni和Vno，輸入早生為帶寬白噪聲，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Vni2=Sni·Bi。若系統(tǒng)的電壓增益為Kv（f），系統(tǒng)的噪聲等效帶寬為Be，則輸出噪聲的均方值為：（2）式中，Kvo=Vso/Vsi,顯然可

6、得到系統(tǒng)的SNIR為：由式（3）可得：信號(hào)處理系統(tǒng)的信噪改善比等于輸入等效寬帶就可以提高系統(tǒng)的輸出信噪比。對(duì)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(lái)，這就是通常的微弱信號(hào)檢測(cè)的指導(dǎo)思想之一。2微弱信號(hào)檢測(cè)的方法 在測(cè)量中對(duì)噪聲的處理是非常重要的，它是影響微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的決定性因素，也是信號(hào)檢測(cè)中的主要不利因素。對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，如能有效克服噪聲，就可以提高信號(hào)檢測(cè)的靈敏度。近十幾年來(lái)，信息論的研究對(duì)信號(hào)和噪聲本身的統(tǒng)計(jì)特性作了許多研究，為檢測(cè)淹沒在噪聲背景中的微弱信號(hào)提供了理論基礎(chǔ)，并提出了許多根據(jù)噪聲和信號(hào)本身的不同特性，

7、檢測(cè)深埋在噪聲背景中信號(hào)的方法。下面重點(diǎn)介紹二種常規(guī)檢測(cè)微弱信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)和方法。 2.1 相關(guān)檢測(cè)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)間函數(shù)來(lái)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(lái)描述。因此，可利用信號(hào)自身存在的規(guī)律（即相關(guān)性）來(lái)尋找信號(hào)，也可以利用一個(gè)與被測(cè)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(lái)尋找被測(cè)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(cè)技術(shù)就是根據(jù)相關(guān)性原理，通過(guò)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(cè)微弱信號(hào)的一種技術(shù)。2.1.1 自相關(guān)檢測(cè)自相關(guān)函數(shù)

8、表示隨機(jī)變量f(t)與延時(shí)的時(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）式(4)實(shí)現(xiàn)自相關(guān)檢測(cè)的原理，框圖如圖二所示。 圖二 自相關(guān)檢測(cè)的原理框圖設(shè)混有噪聲的信號(hào)為：xi(t)=si(t)+ni(t) (5)輸入到相關(guān)接收機(jī)后，被分成兩路輸入，其中一路將經(jīng)過(guò)延遲設(shè)備，使它延遲一段時(shí)間，經(jīng)過(guò)延遲的Xi(t-)和未經(jīng)延遲的Xi(t)被送到相乘電路，隨后對(duì)乘積進(jìn)行積分，取平均值。這樣就得到以為參數(shù)的相關(guān)函數(shù)，即得自相關(guān)輸出為：其中，Rss、Rnn表示s(t)與n(t)的自相關(guān)函數(shù)；Rsn、Rns表示s(t)與n(t)的互相關(guān)函數(shù)。根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，可知噪聲與信號(hào)是互不相關(guān)

9、的，且噪聲的平均值為零，有Rsn()=Rns()=0,則Rxx()=Rss()+Rnn()。隨著的增大，Rnn()0，則對(duì)足夠大的，有Rxx()=Rns(),這樣就得到包含著信號(hào)s(t)的自相關(guān)函數(shù)Rxx()。 2.1.2 互相關(guān)檢測(cè) 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(wú)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)性，都可用互相關(guān)函數(shù)，定義為： 當(dāng)互相關(guān)函數(shù)不為零，則表示和兩函數(shù)有一定的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性；若互相關(guān)函數(shù)為零，則表示兩者是獨(dú)立無(wú)關(guān)。實(shí)現(xiàn)互相關(guān)檢測(cè)的原理框圖如圖三所示。與自相關(guān)檢測(cè)相比，互相關(guān)檢測(cè)的抗干擾性能更好

10、。若發(fā)送信號(hào)的重復(fù)周期或頻率已知，就可在接收端發(fā)出一重復(fù)周期與信號(hào)相同的“干凈的”本地信號(hào)，將本地信號(hào)與混有噪聲的輸入信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)。 設(shè)輸入信號(hào)為：x(t)=s(t)+n(T) (8)其中，s(t)為待測(cè)信號(hào)，n(t)為信號(hào)s(t)中混入的噪聲，y(t)為已知參考信號(hào)。若y(t)與信號(hào)s(t)有相關(guān)性，而與噪聲n(t)無(wú)相關(guān)性，輸入經(jīng)延時(shí)、相乘、積分及平均運(yùn)算后，得到相關(guān)輸出Rxy()為：由于參考信號(hào)y(t)與信號(hào)s(t)有某種相關(guān)性，而與噪聲n(t)無(wú)相關(guān)性，且噪聲的平均值為0，則有Rsn()=Rns()=0，即：Rxy()=Rsy() （10）顯然，Rxy()中包含了信號(hào)所攜帶的信號(hào)，即

11、可把待測(cè)的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)了。2.2 取樣積分法為了恢復(fù)淹沒于噪聲中的快速變化的微弱信號(hào)，可把每個(gè)信號(hào)周期分成若干個(gè)時(shí)間間隔（間隔的大小取決于回復(fù)信號(hào)所要求的精度），然后對(duì)這些時(shí)間間隔的信號(hào)進(jìn)行取樣，并將各周期中處于相同位置的取樣進(jìn)行積分。該積分過(guò)程常用模擬電路實(shí)現(xiàn)，稱之為取樣積分，其電路原理圖如圖四（a）所示。設(shè)r(t)為被測(cè)信號(hào)s(t)同頻的參考信號(hào)（不限為正弦信號(hào)）。經(jīng)延時(shí)t。后形成取樣脈沖，作用到取樣開關(guān)S，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)x(t)=s(t)+n(t)的取樣。每隔周期T進(jìn)行一次取樣，則在電容C上的電壓就得到取樣信號(hào)的積累（即積分）。為防止積累造成溢出現(xiàn)象，在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器代替C的情況下，要再

12、對(duì)存儲(chǔ)信號(hào)進(jìn)行處理。圖四（b）為取樣積分器波形示意圖。 （b）取樣積分器波形示意圖 圖四 取樣積分原理圖經(jīng)過(guò)n次積累平均，其輸出為：若噪聲的形式為白噪聲，由于不同時(shí)刻噪聲值不相關(guān)，有：所以其輸出為： 顯然，對(duì)信號(hào)波形的周期取樣與積分平均過(guò)程，就是對(duì)噪聲中周期脈沖信號(hào)的恢復(fù)過(guò)程。3應(yīng)用實(shí)例3.1 用相關(guān)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的移動(dòng)速度剛出軋輥的熱軋鋼板的溫度很高，測(cè)量其移動(dòng)速度比較困難，可以在沿著鋼板運(yùn)動(dòng)方向在相距L處裝設(shè)兩個(gè)光學(xué)傳感器，檢測(cè)鋼板發(fā)射的紅外光或其他光，并將其轉(zhuǎn)換為兩路隨機(jī)電信號(hào)。對(duì)于冷軋鋼板或其他移動(dòng)物體，可以在相距L處裝設(shè)兩個(gè)光源，再利用光敏器件檢測(cè)移動(dòng)物體的反射光，也可以得到兩路隨機(jī)信

13、號(hào)。計(jì)算出這兩路隨機(jī)信號(hào)的互相關(guān)Rxy()函數(shù)，并由其峰點(diǎn)位置相應(yīng)的延時(shí)D，從而計(jì)算出物體的移動(dòng)速度v=L/D，如圖五所示3.2 利用取樣積分器檢測(cè)霍爾電勢(shì)如圖六（a）所示的半導(dǎo)體薄片，若在它的兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，則在磁場(chǎng)和電流的垂直方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)VH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)電荷受洛倫茲力的結(jié)果。設(shè)在N型半導(dǎo)體薄片的控制電流端通以電流I，則半導(dǎo)體中的電子的運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反。如果在垂直于半導(dǎo)體薄片的方向施加磁場(chǎng)，洛倫茲力的作用會(huì)使電子向一邊偏轉(zhuǎn)，如圖六（a）中的虛線箭頭方向。這會(huì)導(dǎo)致該邊的電子堆積，而另一邊則累積正

14、電荷，于是產(chǎn)生電場(chǎng)。該電場(chǎng)會(huì)阻止運(yùn)動(dòng)電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)電場(chǎng)作用力與洛倫茲力相等時(shí)，電子的積累就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，在薄片積累了電荷的兩個(gè)端面之間建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電位差稱為霍爾電勢(shì)VH。當(dāng)I與B垂直時(shí)，Vg的大小為：VH=RH1B/d(v) (14)式中，RH為霍爾材料，取決于材料的物理性質(zhì)，單位為m3.C-1。如圖六(b)所示是利用霍爾元件檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度，由于干擾磁場(chǎng)的存在，霍爾元件的輸出電勢(shì)常夾雜著明顯的噪聲。利用取樣積分器抑制噪聲，可以使輸出信噪比得以改善?；魻栐敵鲭妱?shì)中還包含了不等位電勢(shì)、寄生直流電勢(shì)、感應(yīng)電勢(shì)、溫度誤差等因素，這些因素都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精確度。如果霍爾元件的激勵(lì)電流i是頻率f的方波，這相當(dāng)于對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行載波測(cè)量，那么就可用基線取樣方法來(lái)補(bǔ)償檢測(cè)元件固有的偏差以及基線的漂移。4. 結(jié)束語(yǔ) 上述分析的幾種方法是微弱信號(hào)檢測(cè)中最基本的方法。微弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題關(guān)系到很多領(lǐng)域，以前的研究一直受到硬件條件的限制。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，原來(lái)在微弱信號(hào)檢測(cè)中一些需要用硬件完成的檢測(cè)系統(tǒng)，可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，即計(jì)算機(jī)處理的方法，它是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線擬合、平滑、數(shù)字濾波、快速傅里葉變換