第九章：微弱信號(hào)檢測(cè)

1、作業(yè)題：一熱探測(cè)器的光敏面積為作業(yè)題：一熱探測(cè)器的光敏面積為1mm2，工作溫度為，工作溫度為300K，工作帶寬，工作帶寬 f=10Hz，若該探測(cè)器的吸收率為，若該探測(cè)器的吸收率為1，求，求由于溫度起伏所限制的最小可探測(cè)功率由于溫度起伏所限制的最小可探測(cè)功率Pmin.材料講解要求：材料講解要求：簡(jiǎn)要講解器件的基本原理簡(jiǎn)要講解器件的基本原理給出對(duì)應(yīng)參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式給出對(duì)應(yīng)參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式重點(diǎn)介紹目前器件性能參數(shù)的改變或進(jìn)展。重點(diǎn)介紹目前器件性能參數(shù)的改變或進(jìn)展。助教評(píng)分，拉開(kāi)檔次，對(duì)于不認(rèn)真準(zhǔn)備材料的要堅(jiān)決扣分助教評(píng)分，拉開(kāi)檔次，對(duì)于不認(rèn)真準(zhǔn)備材料的要堅(jiān)決扣分評(píng)分原則：評(píng)分原則：95分以上：在

2、已有材料的基礎(chǔ)上，能補(bǔ)充部分材料、準(zhǔn)備充分，分以上：在已有材料的基礎(chǔ)上，能補(bǔ)充部分材料、準(zhǔn)備充分， 講解清晰。（講解清晰。（15%）85-95分：能充分理解材料的內(nèi)容、講解清晰。（分：能充分理解材料的內(nèi)容、講解清晰。（65%）85分以下：認(rèn)真準(zhǔn)備材料（分以下：認(rèn)真準(zhǔn)備材料（20%）第九章：微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)第九章：微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù) 一、引言一、引言 很多領(lǐng)域存在微弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題。很多領(lǐng)域存在微弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題。二、解決微弱信號(hào)檢測(cè)的方法二、解決微弱信號(hào)檢測(cè)的方法 1 1、降低系統(tǒng)的噪聲：使被測(cè)信號(hào)功率、降低系統(tǒng)的噪聲：使被測(cè)信號(hào)功率P PS S大于噪聲功率大于噪聲功率P PN N，以達(dá)，以達(dá) 到信

3、噪比到信噪比S SN1N1； 2 2、采用相關(guān)接收技術(shù)：可以保證在、采用相關(guān)接收技術(shù)：可以保證在P PS SP1，且積分時(shí)間，且積分時(shí)間tR0C0，得到得到cos2 cosexp 12)0(100001000RVRCRtRVRnVAAcos2100RVRVAoLL V Vo o為直流電壓，其大小正比于輸入信號(hào)幅值為直流電壓，其大小正比于輸入信號(hào)幅值V VA0A0和被測(cè)信號(hào)與和被測(cè)信號(hào)與 參考信號(hào)之間相位差的余弦參考信號(hào)之間相位差的余弦(cos(cos ) )。LL由于相關(guān)檢測(cè)是利用了長(zhǎng)時(shí)間對(duì)信號(hào)的積累原理，所以最終輸由于相關(guān)檢測(cè)是利用了長(zhǎng)時(shí)間對(duì)信號(hào)的積累原理，所以最終輸 出的信號(hào)不再是周期變化

4、的信號(hào)，而是被出的信號(hào)不再是周期變化的信號(hào)，而是被PSDPSD平滑了的直流信平滑了的直流信 號(hào)。號(hào)。-R0/R1近似為積分近似為積分器的直流放大倍數(shù)器的直流放大倍數(shù)cos2100RVRVAo9.3.2 鎖定放大器主要參數(shù)鎖定放大器主要參數(shù)一、等效噪聲帶寬一、等效噪聲帶寬fN 反映系統(tǒng)對(duì)噪聲的選擇性，鎖定放大器的反映系統(tǒng)對(duì)噪聲的選擇性，鎖定放大器的 fN表達(dá)為表達(dá)為 若取若取R0C0=300s，則，則 fN=8.310-4Hz。二、等效信號(hào)帶二、等效信號(hào)帶寬寬 fs表示系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的選擇性，指輸出信號(hào)下降至最大值的表示系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的選擇性，指輸出信號(hào)下降至最大值的0.707時(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。由于噪聲頻

5、譜與信號(hào)頻譜具有完全不同的特征，對(duì)應(yīng)的頻率。由于噪聲頻譜與信號(hào)頻譜具有完全不同的特征，所以所以fN與與fs具有不同意義。信號(hào)帶寬可以直接寫出具有不同意義。信號(hào)帶寬可以直接寫出 fs為等效帶通濾波器的帶寬，若仍取為等效帶通濾波器的帶寬，若仍取R0C0=300s，則，則 fs=5.310-4。 0041CRfN0021CRfs當(dāng)已知信號(hào)頻率為當(dāng)已知信號(hào)頻率為fs，所用的帶通濾波器等效帶寬為，所用的帶通濾波器等效帶寬為 fs，則相應(yīng)，則相應(yīng)的帶通放大器品質(zhì)因數(shù)的帶通放大器品質(zhì)因數(shù)Q為為ssffQLL由于由于fN與與fs有一定關(guān)系，若有一定關(guān)系，若fs越窄，則越窄，則fN越窄，對(duì)噪聲越窄，對(duì)噪聲 的抑

6、制也越好。所以，品質(zhì)因數(shù)的抑制也越好。所以，品質(zhì)因數(shù)Q也表征了帶通放大器對(duì)噪聲也表征了帶通放大器對(duì)噪聲 的抑制能力。的抑制能力。 LL當(dāng)當(dāng)f fs s=100kHz=100kHz， f fs s =5.3 =5.31010-4-4Hz,Hz,相應(yīng)的相應(yīng)的 f fN N =8.3 =8.31010-4-4HzHz， 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q=1.88Q=1.8810108 8。 LL相關(guān)器相當(dāng)于一個(gè)相關(guān)器相當(dāng)于一個(gè)“跟蹤跟蹤”濾波器，由于被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)嚴(yán)濾波器，由于被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)嚴(yán) 格同步，就能保證在很窄的格同步，就能保證在很窄的 f fs s條件下總能輸出信號(hào)并抑制噪聲條件下總能輸出信號(hào)并抑

7、制噪聲。 l三、三、 信噪比改善信噪比改善(SNIR) 通常用信噪比改善通常用信噪比改善(SNIR)參數(shù)來(lái)描述輸出信噪比的改善參數(shù)來(lái)描述輸出信噪比的改善： ioNSNSSNIR)/()/(信噪比改善情況與鎖定放大器抑制噪聲能力有關(guān)，即與噪聲帶寬信噪比改善情況與鎖定放大器抑制噪聲能力有關(guān)，即與噪聲帶寬被壓縮的程度有關(guān)，故上式又可寫作：被壓縮的程度有關(guān)，故上式又可寫作：NoNiffSNIR式中式中 fNi和和 fNo分別為鎖定放大器輸入和輸出等效噪聲帶寬。分別為鎖定放大器輸入和輸出等效噪聲帶寬。例題例題4、若設(shè)、若設(shè) fNi =200kHz， fNo =8.310-4Hz，求，求SNIR。 SNI

8、R =16104。LL鎖定放大器可以使信噪比改善一萬(wàn)多倍，可見(jiàn)鎖定放大器具有鎖定放大器可以使信噪比改善一萬(wàn)多倍，可見(jiàn)鎖定放大器具有 很強(qiáng)的抑制噪聲的能力。很強(qiáng)的抑制噪聲的能力。LL鎖定放大器輸出信號(hào)不是輸入信號(hào)簡(jiǎn)單地放大，而是把輸入的鎖定放大器輸出信號(hào)不是輸入信號(hào)簡(jiǎn)單地放大，而是把輸入的 交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，換言之，它不能恢復(fù)原有信號(hào)的波形，交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，換言之，它不能恢復(fù)原有信號(hào)的波形， 使用時(shí)要注意這一特點(diǎn)。使用時(shí)要注意這一特點(diǎn)。9.4 9.4 取樣積分器取樣積分器 取樣積分器取樣積分器: :又稱又稱BoxcarBoxcar，也是一種微弱信號(hào)檢測(cè)儀器。，也是一種微弱信號(hào)檢測(cè)儀器。

9、工作原理：工作原理：利用周期性信號(hào)的重復(fù)特性，在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)利用周期性信號(hào)的重復(fù)特性，在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào) 的一部分取樣一次，然后經(jīng)過(guò)積分器取出平均值，于是各個(gè)周的一部分取樣一次，然后經(jīng)過(guò)積分器取出平均值，于是各個(gè)周期內(nèi)取樣平均信號(hào)的總體便展現(xiàn)了待測(cè)信號(hào)的真實(shí)波形。期內(nèi)取樣平均信號(hào)的總體便展現(xiàn)了待測(cè)信號(hào)的真實(shí)波形。信號(hào)提取信號(hào)提取( (取樣取樣) )是經(jīng)過(guò)多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)計(jì)平是經(jīng)過(guò)多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)計(jì)平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)波均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)波形。形。 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：取樣積分器所能檢測(cè)的信號(hào)是重

10、復(fù)的（不一定是周取樣積分器所能檢測(cè)的信號(hào)是重復(fù)的（不一定是周期性連續(xù)信號(hào)），波形是不變的，產(chǎn)生的時(shí)刻是已知的。期性連續(xù)信號(hào)），波形是不變的，產(chǎn)生的時(shí)刻是已知的。9.4.1 取樣的物理過(guò)程取樣的物理過(guò)程取樣取樣：利用取樣脈沖序列從連續(xù)信號(hào)中：利用取樣脈沖序列從連續(xù)信號(hào)中“抽取抽取”一系列的離散值；一系列的離散值；取樣脈沖取樣脈沖P(t)：沖激函數(shù)：取出的樣品是線性的沖激函數(shù)：取出的樣品是線性的理想取樣；理想取樣；取樣脈沖寬度為取樣脈沖寬度為：取樣為寬度為：取樣為寬度為的信號(hào)成分的信號(hào)成分有限脈寬取樣；有限脈寬取樣；9.4.2 取樣積分器的工作原理取樣積分器的工作原理 取樣積分器的工作方式：取樣積

11、分器的工作方式：簡(jiǎn)單的取樣門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的取樣門結(jié)構(gòu)掃描式定點(diǎn)式單點(diǎn)取樣方式對(duì)信號(hào)每周取樣并積分一次，經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)每周取樣并積分一次，經(jīng)過(guò)多次取樣積分得到該點(diǎn)的信號(hào)幅值。多次取樣積分得到該點(diǎn)的信號(hào)幅值。用于恢復(fù)和記錄被測(cè)信號(hào)的波形。用于恢復(fù)和記錄被測(cè)信號(hào)的波形。檢測(cè)信號(hào)波形上的某一特定時(shí)檢測(cè)信號(hào)波形上的某一特定時(shí)刻的幅度刻的幅度-類似于鎖定放大器類似于鎖定放大器一、取樣積分器取樣過(guò)程一、取樣積分器取樣過(guò)程圖中圖中A、B、C各點(diǎn)為取樣點(diǎn)各點(diǎn)為取樣點(diǎn) ；取樣過(guò)程取樣過(guò)程：它將一個(gè)高重復(fù)頻率的信號(hào)，通過(guò)逐點(diǎn)取樣，將時(shí)：它將一個(gè)高重復(fù)頻率的信號(hào)，通過(guò)逐點(diǎn)取樣，將時(shí)間變化的模擬量轉(zhuǎn)變成對(duì)時(shí)間變化的離散量的集合

12、，這種集合間變化的模擬量轉(zhuǎn)變成對(duì)時(shí)間變化的離散量的集合，這種集合即為信號(hào)的低頻復(fù)制，從而做到該低頻信號(hào)的幅值、相位和波即為信號(hào)的低頻復(fù)制，從而做到該低頻信號(hào)的幅值、相位和波形的測(cè)量。形的測(cè)量。 對(duì)于某一取樣點(diǎn)的值，若信號(hào)值為對(duì)于某一取樣點(diǎn)的值，若信號(hào)值為Si，噪聲值為，噪聲值為Ni，則其信噪，則其信噪比比(S/N)i=Si/Ni。經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)ns次取樣積累后（線性積累），次取樣積累后（線性積累），So= nsSi，No=信噪比為：信噪比為：即經(jīng)過(guò)即經(jīng)過(guò)ns次取樣后信噪比改善次取樣后信噪比改善: isNnisiisisisoooNSnNSnNnSnNSNS)/()/(sionNSNSSNIR)/()

13、/(上式為平均效果的上式為平均效果的 法則法則(N=ns)。顯然，取樣點(diǎn)數(shù)。顯然，取樣點(diǎn)數(shù)(ns)越多，信越多，信號(hào)恢復(fù)越精確，但需要積累的時(shí)間也越長(zhǎng)。號(hào)恢復(fù)越精確，但需要積累的時(shí)間也越長(zhǎng)。N例題例題1，若被測(cè)波形用，若被測(cè)波形用10個(gè)點(diǎn)描述，每點(diǎn)積累個(gè)點(diǎn)描述，每點(diǎn)積累100次，信號(hào)重復(fù)頻次，信號(hào)重復(fù)頻率率fs=1kHz；求信噪比改善及所需的測(cè)量時(shí)間。；求信噪比改善及所需的測(cè)量時(shí)間。則信噪比改善：則信噪比改善：SNIR= =10，測(cè)量的時(shí)間為：測(cè)量的時(shí)間為：10(點(diǎn)點(diǎn))100(次次) =1s。同理，若每點(diǎn)積累同理，若每點(diǎn)積累10000次，則次，則SNIR=100，記錄時(shí)間將增加為，記錄時(shí)間將增

14、加為100s。由此可見(jiàn)，微弱信號(hào)檢測(cè)都是以犧牲時(shí)間為代價(jià)的。由此可見(jiàn)，微弱信號(hào)檢測(cè)都是以犧牲時(shí)間為代價(jià)的。sf/1100RC：指數(shù)積累信號(hào)振幅較大時(shí)采用；二、二、取樣積分器的積分過(guò)程取樣積分器的積分過(guò)程 運(yùn)算放大器：線性積累充電時(shí)間為充電時(shí)間為RC時(shí)，時(shí)，Vout=0.632Vin；對(duì)于門積分電路，有效的充電時(shí)間為對(duì)于門積分電路，有效的充電時(shí)間為Tg，nTg=RC，OCT=nTs叫觀察時(shí)間常數(shù)。叫觀察時(shí)間常數(shù)。)1 (/ RCtinouteVV不會(huì)因積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使輸出過(guò)載；不會(huì)因積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使輸出過(guò)載；積分時(shí)間積分時(shí)間2OCT，輸出電壓增量變小，平均效果降低，因此過(guò)，輸出電壓增量變小，平均效果降低，因此過(guò)長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)時(shí) 間的測(cè)量變得沒(méi)有實(shí)際意義。間的測(cè)量變得沒(méi)有實(shí)際意義。三、定點(diǎn)式取樣積分器三、定點(diǎn)式取樣積分器 被測(cè)信號(hào)被測(cè)信號(hào)取樣脈沖取樣脈沖取樣點(diǎn)相對(duì)信號(hào)起始時(shí)刻是固定延時(shí)的，并且門寬不變，因此取樣點(diǎn)相對(duì)信號(hào)起始時(shí)刻是固定延時(shí)的，并且門寬不變，因此 保證所測(cè)量的是離原點(diǎn)為固定延時(shí)的重復(fù)信號(hào)的某點(diǎn)瞬時(shí)平保證所測(cè)量的是離原點(diǎn)為固定延時(shí)的重復(fù)信號(hào)的某點(diǎn)瞬時(shí)平 均值。輸出電壓與鎖定放大器相似；均值。輸