3微弱信号检测的原理和方法

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1、光电信号处理华中科技大学光学与电子信息学院微弱信号检测的基本原理与方法第三章　微弱信号检测的基本原理与方法§3.1低噪声电子设计的适用范围§3.2窄带滤波法§3.3双路消噪法§3.4同步累积法§3.5锁定接收法§3.6取样积分法(Boxcar方法)§3.7相关检测法§3.8光子计数技术§3.9计算机处理方法§3.10常用弱检仪器§3.1低噪声电子设计的适用范围1低噪声电子设计的适用范围低噪声电子设计的方法：使用的前提：是要求在电信号处理的输入端有足够大的信噪比，处理的结果是使信噪比不至于变坏。如果在信号

2、处理系统的输入端，信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，仅用低噪声电子设计的方法就不行了。这时，必须根据信号和噪声的不同特点，采用相应的方法将信号与噪声分离。这就是微弱信号检测的方法。2微弱信号检测的途径微弱信号检测的途径：●一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；●二是研制适合弱信号检测的原理，并能满足特殊需要的器件，●三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号，这三者缺一不可。3信噪比改善（SNIR）在介绍微弱信号检测的一般方法之前，先介绍信噪比改善

3、（SNIR）的定义；●信噪比改善（SNIR）是衡量弱信号检测仪器的一项重要性能指标。●信噪比改善的定义为：从数学表达式看，SNIR是噪声系数NF的倒数，但实质上两者是有差别的。●噪声系数NF≥1。这个结论的前提：假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的带宽；●实际上输入噪声的带宽要大于放大系统的带宽，因而噪声系数NF便有可能要小于1，因此，有必要给出信噪比改善的概念。信噪比改善（SNIR）＝Eni是位于信号源处放大系统的等效输入噪声，假定Eni是白噪声，其功率谱密度为常数：Δfin为输入噪声的带宽。下面

4、导出白噪声情况下SNIR的表示式：那么输出端噪声：为放大系统的增益。得：是放大系统对信号的功率增益，取中频区最大值，即所以：而即系统的等效噪声带宽。故可得：因此，放大系统的信噪比改善等于等效输入噪声的带宽Δfin与系统的等效噪声带宽Δfn之比。●因此，减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善。如有一信号掩埋在噪声中，即输入信噪比：那么只要检测放大系统的等效噪声带宽很小，使Δfn<<Δfni，就可能将此信号检测出来。例如：若而Δfin=100KHz，Δfn=1KHz。则信噪比改善∴输出端信噪比●由此可见

5、，输出端信噪比得到改善，信号远大于噪声，可以直接测量出来。§3.2窄带滤波法●原理：利用信号的功率谱密度较窄而噪声的功率谱相对很宽的特点●方法：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来。●由于窄带通滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信噪比能得到很大的提高。白噪声：当其通过一个电压传输系数为Kv，带宽为B=f2-f1的系统后，则输出噪声为：●由上式可以看出：噪声输出总功率与系统的带宽成正比，通过减小系统带宽来减小输出的白噪声功率。●1/f噪声的情况：其输出噪声即由

6、1/f噪声产生的输出噪声功率为：●由上式可见，通过减小通频带B来减小输出端的1/f噪声功率。功率谱密度曲线：有限正弦信号白噪声由图看出：使用了窄带通滤波器后，如果B选得很窄，则输出信噪比还能更大一些，带通滤波器在白噪声条件下的信噪比改善：输出端信号功率Pso：输出端噪声功率Pno:∴即：也就是：Δfn为窄带通滤波器的等效噪声带宽，Δfni为输入噪声的带宽，即使是白噪声，它也有一个带宽，实际上并不是到无穷大。窄带通滤波器的实现方式很多：常见的有双T选频，LC调谐，晶体窄带滤波器等，其中双T选频可以做到相对

7、带宽等于千分之几左右（f0为带通滤波器的中心频率）晶体窄带滤波器可以做到万分之几左右。即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。更好的方法是用锁定放大器和取样积分器，这在后面再作讨论。检测单次信号：窄带滤波法不仅适用于周期性正弦信号波形的复现，而且也能用来检测单次信号是否存在。原理：由于一个单次信号（例如单个脉冲信号或有限正弦波）的绝大部分频率分量集中在频谱密度曲线基频所在的主峰内。主峰的频宽Δf与单次信号的持续时间Δt之间满足

8、下述关系：为了检测单次信号，要求滤波器的带宽B大于单次信号的频宽，即：因为：即：∴上式说明了信噪比的改善与信号的持续时间Δt的关系，Δt愈长，则信噪比的改善就愈大。●也就是说，窄带滤波法可以用来检测持续时间较长的单次信号。§3.3双路消噪法●原理：利用两个通道对输入信号进行不同的处理，然后设法消去共同的噪声，最后得到有用的信号。●特点：这种方法只能用来检测微弱信号是否存在，并不能复现波形。双路消噪法的原理框图设输入信号频率为f0的正弦波，并