微弱信号检测原理教学幻灯片讲义.pptVIP

第5章 微弱信号检测原理;第5章 微弱信号检测原理; 按传统观念，若信号低于噪声是不可能进行测量的。故通常讲，各种噪声之和本质上决定了测量的精度，也就决定测量的灵敏度（对较强或中等强度信号），及可检测下限（对弱信号）。因此，要想降低测量下限，首先是设法降低各种噪声的水平，其中尤以降低传感器的噪声为关键。 降低噪声是提高测量精度的关键，但并不是惟一的方法。人们开创了几种从噪声中提取信号的方法，从而使测量下限可低于测量系统的噪声水平。这就是微弱信号检测，与非微弱信号检测的关键差别。微弱信号检测的英语名称是Weak Signal Detection（简记为WSD）。 各种微弱信号检测法，都是基于研究噪声的规律（如噪声幅度、频率、相位等），和分析信号特点（如信号频谱、相干性等）的基础上的。然后利用电子学、信息论和其它物理、数学方法来对被噪声???盖的弱信息进行提取、测量。;微弱信号检测学，就是研究从噪声中提取信息的方法及技术的学科。由于目前对电子噪声研究较成功，微弱信号检测与电子技术联系密切，发展较快，与其它方面的联系尚有发展余地。 5.1.2 噪声的基本性质 噪声是无处不在，总与信号共存。WSD技术，总是首先设法尽量抑制噪声，然后再进行噪声中的信号提取。因此，从某种意义上讲，WSD是一种专门与噪声作斗争的技术。故研究微弱信号检测，首先需要对噪声有所了解。 （1）噪声的定义与种类 从广义讲，噪声可以分为两类，即干扰和噪声（狭义）。 干扰是指非被测信号或非测量系统所引起的噪声。它来自于外界的影响，而造成的非信号测量值。这些外界干扰可能来自于宇宙（如宇宙射线、电磁干扰），也有可能是来自于人为的其它器件（如开关的电火花、汽车火塞的电火花、强广播、强电视信号等）。 ; 最常见的是市电的干扰和附近的有强电的外部器件。从理论上讲，干扰是属于理想上可排除的噪声。值得注意是：在弱信号检测时，电源干扰必须引起足够的重视。常见的电源干扰有：①供电线路中的严重超载引起的电压降低，②大负载切断时造成的超压，③非线性功率因子负载，引起的正弦波失真，④电源频率与相位漂移，⑤配电盘后的其它用电设备引入的共模干扰，⑥配电盘前的输电线受外界的影响带入的常模噪声，⑦瞬变尖峰干扰。 狭义噪声是指来自于被测对象、传感器、比较测定系统内部的广义噪声。其特点 ：不可能彻底排除，只能设法减少，这些噪声是随机的。如果最终测量是电信息，自然，主要噪声也是电噪声，常称这类噪声为电子噪声（如常见的：热噪声、暗电流噪声、散粒噪声和低频噪声）。;（2）电子噪声 由前面所知，电子噪声主要有热噪声、暗电流噪声、散粒噪声和低频噪声等，下面分别介绍如下： 1）热噪声 任何电子器件，其中总有电传导载流子，当处于一定温度环境下，这些载流子作无规则运动。这种热运动将使器件中载流子的定向流动有起伏变化，这就形成器件闭路时的热噪声电流。即使器件开路，热运动也会形成开路噪声电压。奈奎斯特从热力学出发，获得了与实验一致的规律。热噪声电压有效值为：;其热噪声电流有效值为：;2）散粒噪声 即使进入探测器的光强，宏观上是稳定的，但从光的量子特性可知，相等测量时间内，进入探测器的光子数是有涨落的。这在测量中，就会形成散粒噪声。另外，光电传感器作光电转换时，有转换效率问题。平时的量子效率只是一平均值，实际也是变化起伏的，它也是一种散粒噪声。同理，宏观上恒定的电流，实际上在相等的测量时间内，载流子数目也必定起伏，也会出现散粒噪声。经研究表明：各种散粒噪声都是白噪声，遵守下述规律：;若设 为信号光功率， 为背景光功率，假设光子产生的载流子的电荷量为 ，量子效率为 ，则平均转换电流为： ;（5.5） ; 对于电流传感器，电流灵敏定义为：;3）信噪比和信噪比改善 为了衡量信号与噪声的相对比例，以判断噪声对测量精度的影响，通常用信噪比来描述。其定义为：; 除此之外，关于噪声的度量，还要噪声功率谱密度、噪声因子、等效噪温度、等效噪声电阻、噪声指数等度量参量，将在后面介绍，它们将可应用于不同场合。 （4）噪声的相关函数 噪声虽然是一种随机过程，即各时刻取值是随机的，但两个不同时刻的噪声值仍存在一定的关系。研究噪声（或指一般随机过程）在不同时刻取值之间的相关性，也是电噪声的一个主要统计特征。 1）噪声的自相关函数 自相关函数指一个随机过程在不同时刻及取值的相关性，其定义为：;对于具有各态经历的平稳随机过程，则统计平均又可用时间平均表示，而且由于统计特征量与时间起点无关，故可以令 ，则 ，简记为 。于是，平稳随机过程的噪声自相