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1、河北工程大学毕业设计微弱信号检测设计计算法实现摘 要随着科学技术的发展，在各个领域遇到了越来越多的微弱信号检测问题，对微弱信号进行检测的需要日益迫切。微弱信号不仅意味着信号的幅度小，还容易被噪声淹没，对它们的检测往往比较困难。微弱信号检测就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号的一门新兴技术学科，具有重要的研究意义。本课题主要讨论混有噪音的微弱信号的检测理论及软件算法实现。所选用的软件LabView是美国NI公司的创新软件产品，也是日前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。它具有开发周期短、运行速度快、可重用性、使用方便灵活等优点。因此LabView在本课题研究的微弱
2、信号检测方面显示了很大的优越性。课题中简要分析了几种常用的微弱信号检测理论的特点，在此基础上，对相关性检测、锁相放大器实现法、基于混沌振子的检测法、基于小波变换等微弱信号的原理进行了较为深入的探讨，并针对各个算法的优缺点进行了探讨，设计了基于虚拟仪器技术的微弱信号检测系统。 关键词：虚拟仪器;噪音;微弱信号;检测;算法实现ABSTRACTWith the development of science，more and more problems of weak signal detection appear in each field and it is urgent for the dete
3、ction.Weak signal which means small amplitude and signal that is submersed in noises，is not easy to be detected.Weak signal detection is a new developing science that employing neoteric electronics and signal processing technologies to get useful signal from noises and is significant to study on. Th
4、is subject mainly discuss the weak signal mixed with a noise detection theory and software algorithm. Selected software company is American NI LabView software products, but also has innovation of the most widely used, the fastest growing, the strongest function of graphical software development env
5、ironment. It has a short development cycle, fast, reusability, use convenient, etc. So in this topic research LabView weak signal detection show great superiority.Projects are in several common briefly analyzed the characteristics of weak signal detection theory, on this basis, the correlation detec
6、tion, lock-in amplifier realization method, based on chaos of the vibrator based on wavelet transform method, the principle of such weak signal for a more in-depth discussion, and in the light of the advantages and disadvantages of each algorithm was discussed, and the design of based on virtual ins
7、trument technology weak signal detection system.Keywords:Vitualin strument, Noise, Detection, Implement national gorithm 47目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1课题研究的意义11.2 微弱信号检测算法的研究进展21.3 虚拟仪器技术31.4基于虚拟仪器的程序设计31.4.1虚拟仪器系统构成31.4.2 LabVIEW软件设计4第2章 噪声的特点及常用微弱信号检测理论62.1 噪音的统计特性62.1.1 噪音的概率分布62.1.2 噪声的概率分布均值、方差和
8、均方值72.2 相关函数82.2.1 相关原理82.2.2 相关函数8第3章 相干检测法检测微弱信号方法103.1 相干检测法原理103.1.1自相关检测103.1.2 互相关检测113.2 基于虚拟仪器labview软件的前面板及程序框图12第4章 锁相放大器实现微弱信号检测原理144.1锁相放大器实现微弱信号检测的背景144.2 锁相放大器的软件应用144.2.1 锁相放大器的工作原理144.2.2 用Labview 进行相关器的仿真分析164.3 结论18第5章 滤波器滤波法195.1 滤波器工作原理195.2 滤波器分类195.2.1根据滤波器的选频作用分类195.2.2根据“最佳逼近
9、特性”标准分类195.3 理想滤波器205.4 实际滤波器的基本参数205.5 基于labview编程语言的滤波器的实现21第6章 小波分析应用于微弱信号检测246.1 小波分析应用于微弱信号检测的原理246.1.1 小波变换的基本原理246.1.2 小波变换的信噪分离分析246.1.3 信噪分离过程246.2 基于小波分析的微弱信号自适应滤波算法256.2.1 算法描述256.2.2 算法误差分析266.2.3 小波变换算法的labview仿真266.3 小波分析的特点28第7章 基于混沌振子的微弱信号检测297.1 混沌振子基本原理297.2 采用Duffing振子实现检测微弱信号297.
10、2.1 Duffing振子的实现原理297.2.2 Duffing算法的特点31第8章自适应随机共振算法的研究328.1 自适应随机共振算法的理论背景328.2基于SNR法的自适应随机共振算法328.2.1 SNR算法的应用原理328.2.2 SNR法(信噪比法)的研制与实现328.2.3 SNR法的具体步骤348.2.4 SNR自适应随机共振算法的特点分析34第9章 数据采集卡359.1模拟信号采集359.2计数原理369.3数据采集卡的实现36第10章 用软件方法实现微弱信号检测39第11章 总结43参考文献45致 谢47第1章 绪论1.1课题研究的意义 微弱信号不仅幅度小，而且往往淹没在
11、噪声之中。为了检测被背景噪声覆盖的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因与规律，研究被测信号的特点、相关性及噪声的统计特性，以寻找从背景噪声中检测出有用信号的方法1。 微弱信号检测技术大量应用在光谱学、物理、化学、天文、光通信、雷达、声纳以及生物医学工程领域。能在背景噪声中检测有用信号的微弱信号检测仪器，为现代科学技术和工业生产提供了强有力的测试手段，应用范围遍及几乎所有的科学领域，已成为现代科技必备的常用仪器。 微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比。例如弱光、弱磁、弱电等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅度以指示被测量的大小。但是，由于被
12、测量的信号微弱，传感器的本底噪声、放大器及测量仪器固有噪声和各种外界的干扰噪声往往比有用信号大得多，放大被测信号的过程同时也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的，常规的检测方法对此无能为力。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提出有用信号。为了达到这样的目的，必须研究微弱信号检测的理论、方法和设备，在科技领域中，只有完整可靠的实验数据才能有力地证明研究结果。科学发展历史表明，新的检测理论、方法和仪器提供了新的数据，得出了新的结果，从而推动科技的新发展。因此，如何获得正确的实验数据是科学研究的关键。随着科学技术向纵深发展，在研究宏观和
13、微观世界的过程中，常常需要检测极其微弱的信号，例如生物学中的生物电、生物磁、生物微弱震动等微弱信号的测量。 特别是在生物与医学诊断方面，在此领域，所涉及的微弱信号大多为周期性微弱信号，其频率一般为lK左右。若能检测出生物体产生的微弱周期信号的波形，将对进一步的研究或医学诊断提供极其重要的帮助。本课题即在此背景下，对周期性微弱信号的检测与波形复原进行研究。但是专用的微弱信号检测设备因造价昂贵而大大限制了它的应用范围。目前常见的微弱信号检测设备有低噪声放大器、锁相放大器、取样积分器等。 微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。为此，人们开始研究新的检测理论、方法和设备，以满足现代科学技术研究之需。微
14、弱信号检测这门新兴的信号检测与处理的技术科学就是在这种情况下产生并得到迅速发展。自60年代初到现在已取得重大进展，应用范围很广，其仪器己成为现代科学研究中不可缺少的设备2。 微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点。1.2 微弱信号检测算法的研究进展自从1928年发现电阻中电子的热骚动引起非周期性电压以来，微弱信号检测技术一直受到普遍重视。1962年第一台锁相放大器问世，从而使得微弱信号检测技术得到了长足的发展，信噪改善比(SNIR)
15、得到不断提高。目前，微弱信号检测的原理、方法和设备己经成为很多领域中进行现代科学技术研究不可缺少的手段。最早提出的微弱信号检测方法有时域的相关方法、取样积分方法和频域的频谱分析方法，然而这些方法都有一定的局限性，当被检测的信号非常微弱时，经上述方法分析处理后，有可能被测信号功率仍然小于噪声功率，甚至有可能仍然相当微弱，因此，某些特定场合下，上述检测方法就不再适用了。近年来，国内外研究学者将更多先进的相关算法用于微弱信号检测领域，并根据测试结果积极对算进行研究改进，从而取得了丰硕的成果。因此，针对微弱信号检测的难题，有必要从新的角度寻求更加有效的解决方法。 强噪声背景下微弱信号的检测在物理、化学、生物医学、地震、海洋等多个科学领域具有十分广泛的用途。常规的微弱信号检测方法主要是基于时域和频域的。最早提出的微弱信号检测方法有时域的相关方法、取样积分方法和频域的频谱分析方法。近年来，小波理论逐渐应用到微弱信号检测中来，小波变换是一种多分辨分析方法，可同时进行时域和频域的分析，利用小波变换可以提取强噪声背景下信号的检测，出现了小波滤波器消噪方法和
