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1、精密测控与系统精密测控与系统Weak Signal Detection-WSD第六章第六章 微弱信号检测技术微弱信号检测技术6.1 6.1 6.1 6.1 随机信号分析主要概念回顾随机信号分析主要概念回顾随机信号分析主要概念回顾随机信号分析主要概念回顾6.2 6.2 6.2 6.2 噪声的基本知识噪声的基本知识噪声的基本知识噪声的基本知识6.3 6.3 6.3 6.3 窄带滤波法（了解）窄带滤波法（了解）窄带滤波法（了解）窄带滤波法（了解）6.4 6.4 6.4 6.4 同步累积法（了解）同步累积法（了解）同步累积法（了解）同步累积法（了解）6.5 6.5 6.5 6.5 同步相干检测（重点内
2、容）同步相干检测（重点内容）同步相干检测（重点内容）同步相干检测（重点内容）6.6 6.6 6.6 6.6 取样积分（重点内容）取样积分（重点内容）取样积分（重点内容）取样积分（重点内容）6.7 6.7 6.7 6.7 屏蔽与接地技术（自学）屏蔽与接地技术（自学）屏蔽与接地技术（自学）屏蔽与接地技术（自学）概述概述l l微弱信号的定义微弱信号的定义有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。如输入信号的信噪比为如输入信号的信噪比为如输入信号的信噪比为如输入信号的信噪比为1010-2-2或
3、者更小，即或者更小，即或者更小，即或者更小，即信号完全淹没在噪声之中。信号完全淹没在噪声之中。信号完全淹没在噪声之中。信号完全淹没在噪声之中。有用信号的幅度绝对值很小，如检测有用信号的幅度绝对值很小，如检测有用信号的幅度绝对值很小，如检测有用信号的幅度绝对值很小，如检测 v v、nVnV乃至乃至乃至乃至pVpV量级的电压信号；检测每秒钟量级的电压信号；检测每秒钟量级的电压信号；检测每秒钟量级的电压信号；检测每秒钟多少个光子的弱光信号与图象。多少个光子的弱光信号与图象。多少个光子的弱光信号与图象。多少个光子的弱光信号与图象。概述概述l l科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，科学研究中经常常需要
4、检测极微弱的信号，科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，例如：例如：例如：例如：生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电天文学中的星体光谱天文学中的星体光谱化学反映中的物质生成过程化学反映中的物质生成过程物理学中表面物理特性物理学中表面物理特性光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱微机电系统（微机电系统（MEMSMEMS）的微位移、微力、微电流、的微位移、微力、微电流、电压等电压等概述概述l l微弱信号检测微弱信号检测微弱信号检测微弱信号检测任务：提高检测系统输出信号的信噪比，检
5、测被噪任务：提高检测系统输出信号的信噪比，检测被噪声淹没的微弱有用信号。声淹没的微弱有用信号。途径：途径： 隔离噪声源，降低传感器噪声隔离噪声源，降低传感器噪声 采用先进的信息提取方法（本章重点）采用先进的信息提取方法（本章重点）方法：方法： 分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频率、分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频率、相位等）相位等） 研究被测信号的特点（频谱与相关性等）研究被测信号的特点（频谱与相关性等） 采用信息论、电子学和计算机分析等方法进行信采用信息论、电子学和计算机分析等方法进行信息处理息处理微弱信号检测的进展微弱信号检测的进展l l美国吉时利美国吉时利美国吉时利美国吉时
6、利( (KEITHLEY)KEITHLEY)仪器公司是当前世界上仪器公司是当前世界上仪器公司是当前世界上仪器公司是当前世界上微弱信号检测的先驱，水平如下微弱信号检测的先驱，水平如下微弱信号检测的先驱，水平如下微弱信号检测的先驱，水平如下物理量物理量物理量物理量检测灵敏度检测灵敏度检测灵敏度检测灵敏度电流电流电流电流110110-17 -17 A A电压电压电压电压110110-12 -12 V V电阻电阻电阻电阻110110-10 -10 电容电容电容电容110110-17 -17 F F电荷电荷电荷电荷110110-17 -17 C C温差温差温差温差110110-6 -6 6.1 随机信号
7、分析回顾随机信号分析回顾一、能量有限信号和功率有限信号一、能量有限信号和功率有限信号一、能量有限信号和功率有限信号一、能量有限信号和功率有限信号l l能量有限信号能量有限信号能量有限信号能量有限信号l l 功率有限信号功率有限信号功率有限信号功率有限信号一般非周期信号属于能量有限信号一般非周期信号属于能量有限信号一般非周期信号属于能量有限信号一般非周期信号属于能量有限信号如周期信号、阶跃信号等如周期信号、阶跃信号等如周期信号、阶跃信号等如周期信号、阶跃信号等二、均值、均方值、方差二、均值、均方值、方差均值：信号的常值分量均值：信号的常值分量均值：信号的常值分量均值：信号的常值分量均方值：信号的
8、平均功率，均方值：信号的平均功率，均方值：信号的平均功率，均方值：信号的平均功率，正平方根为均方根值正平方根为均方根值正平方根为均方根值正平方根为均方根值( ( ( (有效值有效值有效值有效值) ) ) )方差：信号的波动分量方差：信号的波动分量方差：信号的波动分量方差：信号的波动分量正平方根为标准差正平方根为标准差正平方根为标准差正平方根为标准差x x x x三者关系：三者关系：三者关系：三者关系：三、概率密度函数三、概率密度函数定义：信号幅值落在指定区间内的概率定义：信号幅值落在指定区间内的概率定义：信号幅值落在指定区间内的概率定义：信号幅值落在指定区间内的概率意义：提供了随机信号沿幅值域
9、分布的曲线意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线随机噪声概率密度函数的特点随机噪声概率密度函数的特点 大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布四、相关函数四、相关函数自相关函数：自相关函数：自相关函数：自相关函数： 互相关函数：互相关函数：互相关函数：互相关函数：用途：度量信号波形的相似程度，用途：度量信号波形的相似程度，用途：度量信号波形的相似程度，用途：度量信号波形的相似程度， 提取信号中的周期成份提取信
10、号中的周期成份提取信号中的周期成份提取信号中的周期成份 信号平均功率信号平均功率信号平均功率信号平均功率 其它性质在相关检测中具体讨论其它性质在相关检测中具体讨论其它性质在相关检测中具体讨论其它性质在相关检测中具体讨论五、功率谱密度五、功率谱密度l l特性：特性：特性：特性：S (S (f f) )与与与与R (R ( ) )是一对傅立叶变换对，满足是一对傅立叶变换对，满足是一对傅立叶变换对，满足是一对傅立叶变换对，满足 Wiener-KhintchineWiener-Khintchine定理定理定理定理自谱密度：自谱密度：自谱密度：自谱密度：互谱密度：互谱密度：互谱密度：互谱密度：l l功率
11、谱密度的物理意义功率谱密度的物理意义功率谱密度的物理意义功率谱密度的物理意义S Sx x(f) (f) 曲线下的面积即为信号曲线下的面积即为信号曲线下的面积即为信号曲线下的面积即为信号x(t)x(t)的平均功率，即的平均功率，即的平均功率，即的平均功率，即S Sx x(f) (f) 表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称功率密度函数。功率密度函数。功率密度函数。功率密度函数。六、放大器及线性网络的带宽六、放大器及线性网络的带宽式中：式中： G(f)G(f)功率增益的频谱函数功率增益的频谱函
12、数GG0 0最大功率增益最大功率增益 ff系统带宽系统带宽使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值6.2 噪声基本知识噪声基本知识一、干扰和噪声一、干扰和噪声l l干扰：可以消除或减小的外部扰动。干扰：可以消除或减小的外部扰动。如如如如5050HZHZ工频干扰、工频干扰、工频干扰、工频干扰、 电台广播、电视信号、宇宙电台广播、电视信号、宇宙电台广播、电视信号、宇宙电台广播、电视信号、宇宙射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件射线等，可以通过采取适
13、当的屏蔽、滤波或元件射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件合理配置等措施，来减小和消除干扰。合理配置等措施，来减小和消除干扰。合理配置等措施，来减小和消除干扰。合理配置等措施，来减小和消除干扰。l l噪声：由于材料或器件的物理原因所产噪声：由于材料或器件的物理原因所产生的扰动。生的扰动。如导电阻内的热噪声、如导电阻内的热噪声、如导电阻内的热噪声、如导电阻内的热噪声、 晶体管内的散粒噪声。由晶体管内的散粒噪声。由晶体管内的散粒噪声。由晶体管内的散粒噪声。由大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大量的
14、短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大多属于随机噪声。大多属于随机噪声。大多属于随机噪声。大多属于随机噪声。二、信噪比和信噪改善比二、信噪比和信噪改善比1. 1. 信噪比信噪比信噪比信噪比SNRSNR2. 2. 2. 2. 信噪改善比信噪改善比信噪改善比信噪改善比SNIRSNIRl lSNRSNR越高，测量误差越小。越高，测量误差越小。l l微弱信号检测的目的就是使微弱信号检测的目的就是使SNRSNR 1 1或或SNRSNR1 1l lSNIRSNIR越高，测量系统检测微弱信号的能力越越高，测量系统检测微弱信号的能力越强强三、几种常见的电子噪声三、几种常见的电子噪声噪声种类噪声种类噪声种类噪
15、声种类特点特点特点特点热噪声热噪声功率谱密度在很宽的功率谱密度在很宽的频率范围内恒定，为频率范围内恒定，为白噪声白噪声散粒噪声散粒噪声低频噪声低频噪声频率增加，功率谱减频率增加，功率谱减小。由于功率谱密度小。由于功率谱密度与频率有关，所以也与频率有关，所以也叫色噪声叫色噪声接触噪声接触噪声微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。1. 1. 电阻中的热噪声电阻中的热噪声(约翰逊噪声，约翰逊噪声，1928年发现年发现)l l温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任
16、何电温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电阻两端都会有噪声电压。阻两端都会有噪声电压。阻两端都会有噪声电压。阻两端都会有噪声电压。原因：电阻中载流子的随机热运动引起原因：电阻中载流子的随机热运动引起特点：由于电阻中载流子的热运动的随机性，热特点：由于电阻中载流子的热运动的随机性，热噪声电压是随机的噪声电压是随机的l l奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压的有效值：的有效值：的有效值：的有效值：k k:波尔兹曼常数波尔兹曼常数 1.38101.38102323J/KJ/K，T:T:绝对温度绝对温度( (K)K)R:R:电阻值电阻值( ()，f:f:系统带宽（系统带宽（HzHz）l l在微弱信号检测中，需要考虑热噪声在微弱信号检测中，需要考虑热噪声在微弱信号检测中，需要考虑热噪声在微弱信号检测中，需要考虑热噪声l l噪声功率（有效值的平方均方值）噪声功率（有效
