微弱信號檢測論文

1、微弱信號檢測課程論文課程名稱：微弱信號檢測技術(shù)原理及應(yīng)用學(xué)校： 南京信息工程大學(xué) 學(xué)院： 電子與信息工程學(xué)院專業(yè)： 電子信息工程系 姓名： 李 青 學(xué)號： 20081305071 日期： 2010年12月20日 摘要人們在研究宏觀和微觀世界的過程中，常需檢測極微弱的信號，常規(guī)儀表由于存在較大的內(nèi)部噪聲，信號常被噪聲淹沒，使采用放大器和濾波器無法檢測出有用信號。由于信號具有周期性、相關(guān)性，而噪聲具有隨機性，所以采用相關(guān)檢測技術(shù)時，可以把信號中的噪聲排除。傳統(tǒng)的檢測方法采用模擬技術(shù)，先將信號經(jīng)放大通道放大后，再利用鎖定放大器（LIA）與參考通道信號完成相關(guān)運算。由于鎖定放大器價格昂貴，體積較大，一

2、般不適合于小系統(tǒng)和戶外運行的設(shè)備。如果把中的相關(guān)運算轉(zhuǎn)換成功率譜計算，就可以采用數(shù)字器件取代LIA，來實現(xiàn)數(shù)字相關(guān)器。在微弱信號檢測（Weak Singal Detection）過程中許多非電量的微小變化都是通過一定的傳感器將其變換成電信號進行放大再顯示或記錄的。由于這些微小的變化通過傳感器轉(zhuǎn)變成的電信號十分微弱，可能是 V， V，甚至 V或更少。對于這些弱信號的檢測，無疑噪聲是其主要干擾，噪聲對于弱檢測是無處不在的。微弱信號檢測技術(shù)主要針對克服所謂“電子噪聲”的影響，噪聲包括熱噪聲、散粒噪聲和低頻噪聲，它們一般來自構(gòu)成檢測電路系統(tǒng)的元器件的內(nèi)部或表面狀態(tài)。或可以說來自進行檢測的傳感器和檢測儀

3、器。經(jīng)傳感器探測并轉(zhuǎn)換成的微弱的電信號，需要通過電子線路放大，才能進行顯示或記錄，弱檢測量本身的漲落及所用傳感器的本底以及測量儀表底噪聲影響，表現(xiàn)出來底總效果是：有的被測信號被大量的噪聲和干擾信號所淹沒。因此，微弱信號檢測的目的是利用電子學(xué)的、信息論的和物理學(xué)的方法，分析噪聲的原因及其統(tǒng)計規(guī)律，研究被檢測量信號的特點及其相干性，利用現(xiàn)代電子技術(shù)實現(xiàn)理論方法過程從而將深埋在背景中的信號檢測出來。關(guān)鍵詞：內(nèi)部噪聲 相關(guān)檢測技術(shù) 模擬技術(shù) 功率譜計算 電子噪聲 電子線路放大目錄1微弱信號檢測的原理.42微弱信號檢測的方法.52.1 相關(guān)檢測法.52.2 取樣積分法.73應(yīng)用實例.9 3.1 用相關(guān)測

4、量運動物體的移動速度.93.2 利用取樣積分器檢測霍爾電勢.94. 結(jié)束語.101微弱信號檢測的原理 微弱信號檢測技術(shù)就是研究噪聲與信號的不同特性，根據(jù)噪聲與信號的這些特性，擬定檢測方法，大道從噪聲中檢測信號的目的。微弱信號檢測的關(guān)鍵在于抑制噪聲，恢復(fù)、增強和提取有用信號，即提高其信噪改善比（SNIR）。根據(jù)式（1）信噪改善比（SNIR）定義： （1）即輸出信噪比（S/N）0與輸入信噪比（S/N）i之比。SNIR越大，表示處理噪聲的能力越強，檢測的水平越高。從信號處理系統(tǒng)的信噪比，可簡單的論述微弱信號檢測的原理，下面用一例子來討論SNIR的表達(dá)式。如果噪聲在很寬的頻率范圍內(nèi)具有恒定的功率譜密度

5、，則稱這種噪聲為白噪聲。所謂譜密度即單位帶寬的噪聲，若已知噪聲功率譜密度，則噪聲功率可表示為：Pn=Vn。2=0Sn（f）df 。等效噪聲帶寬Be=0Kv。df，其中 為放大器輸入端到輸出端的傳遞函數(shù)。如圖一所示，設(shè)某系統(tǒng)的輸入噪聲為白噪聲（電阻噪聲），其信號處理系統(tǒng)的輸入信號電壓和輸出信號電壓分別為Vsi和Vso輸入噪聲電壓和輸出噪聲電壓分別為Vni和Vno，輸入早生為帶寬白噪聲，其噪聲帶寬Bi，噪聲功率譜密度為Sni，則輸入噪聲的均方值為Vni2=Sni·Bi。若系統(tǒng)的電壓增益為Kv（f），系統(tǒng)的噪聲等效帶寬為Be，則輸出噪聲的均方值為：（2）式中，Kvo=Vso/Vsi,顯然可

6、得到系統(tǒng)的SNIR為：由式（3）可得：信號處理系統(tǒng)的信噪改善比等于輸入等效寬帶就可以提高系統(tǒng)的輸出信噪比。對于信噪比小于1的被噪聲淹沒的信號，只要信號處理系統(tǒng)的噪聲等效帶寬做得很小， 就可以將信號從噪聲中提取出來，這就是通常的微弱信號檢測的指導(dǎo)思想之一。2微弱信號檢測的方法 在測量中對噪聲的處理是非常重要的，它是影響微弱信號檢測系統(tǒng)的決定性因素，也是信號檢測中的主要不利因素。對于微弱信號檢測來說，如能有效克服噪聲，就可以提高信號檢測的靈敏度。近十幾年來，信息論的研究對信號和噪聲本身的統(tǒng)計特性作了許多研究，為檢測淹沒在噪聲背景中的微弱信號提供了理論基礎(chǔ)，并提出了許多根據(jù)噪聲和信號本身的不同特性，

7、檢測深埋在噪聲背景中信號的方法。下面重點介紹二種常規(guī)檢測微弱信號的檢測技術(shù)和方法。 2.1 相關(guān)檢測法信號與噪聲有本質(zhì)區(qū)別。前者是有規(guī)律的，能夠重復(fù)，其后續(xù)信號與早先信號是有關(guān)聯(lián)的，信號可以用一個確定的時間函數(shù)來描述；而后者恰恰相反，不能用一個確定的時間函數(shù)來描述。因此，可利用信號自身存在的規(guī)律（即相關(guān)性）來尋找信號，也可以利用一個與被測信號規(guī)律性（二者之間也有相關(guān)性）部分相同的已知信號來尋找被測信號，達(dá)到去除噪聲的目的，這就是相關(guān)性原理的基本點。相關(guān)檢測技術(shù)就是根據(jù)相關(guān)性原理，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算，以最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲，達(dá)到檢測微弱信號的一種技術(shù)。2.1.1 自相關(guān)檢測自相關(guān)函數(shù)

8、表示隨機變量f(t)與延時的時間間隔為的同一變量的相關(guān)性。若t為時間自變量，則其滿足關(guān)系式：（4）式(4)實現(xiàn)自相關(guān)檢測的原理，框圖如圖二所示。 圖二 自相關(guān)檢測的原理框圖設(shè)混有噪聲的信號為：xi(t)=si(t)+ni(t) (5)輸入到相關(guān)接收機后，被分成兩路輸入，其中一路將經(jīng)過延遲設(shè)備，使它延遲一段時間，經(jīng)過延遲的Xi(t-)和未經(jīng)延遲的Xi(t)被送到相乘電路，隨后對乘積進行積分，取平均值。這樣就得到以為參數(shù)的相關(guān)函數(shù)，即得自相關(guān)輸出為：其中，Rss、Rnn表示s(t)與n(t)的自相關(guān)函數(shù)；Rsn、Rns表示s(t)與n(t)的互相關(guān)函數(shù)。根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，可知噪聲與信號是互不相關(guān)

9、的，且噪聲的平均值為零，有Rsn()=Rns()=0,則Rxx()=Rss()+Rnn()。隨著的增大，Rnn()0，則對足夠大的，有Rxx()=Rns(),這樣就得到包含著信號s(t)的自相關(guān)函數(shù)Rxx()。 2.1.2 互相關(guān)檢測 互相關(guān)函數(shù)指兩個不同的隨機變量之間的統(tǒng)計依賴型。兩個有同一自變量的函數(shù)f(t)和F(t)是可能存在著關(guān)聯(lián)的，無論這兩個函數(shù)是隨機函數(shù)還是非隨機函數(shù)。描述其關(guān)聯(lián)性，都可用互相關(guān)函數(shù)，定義為： 當(dāng)互相關(guān)函數(shù)不為零，則表示和兩函數(shù)有一定的統(tǒng)計相關(guān)性；若互相關(guān)函數(shù)為零，則表示兩者是獨立無關(guān)。實現(xiàn)互相關(guān)檢測的原理框圖如圖三所示。與自相關(guān)檢測相比，互相關(guān)檢測的抗干擾性能更好

10、。若發(fā)送信號的重復(fù)周期或頻率已知，就可在接收端發(fā)出一重復(fù)周期與信號相同的“干凈的”本地信號，將本地信號與混有噪聲的輸入信號進行互相關(guān)。 設(shè)輸入信號為：x(t)=s(t)+n(T) (8)其中，s(t)為待測信號，n(t)為信號s(t)中混入的噪聲，y(t)為已知參考信號。若y(t)與信號s(t)有相關(guān)性，而與噪聲n(t)無相關(guān)性，輸入經(jīng)延時、相乘、積分及平均運算后，得到相關(guān)輸出Rxy()為：由于參考信號y(t)與信號s(t)有某種相關(guān)性，而與噪聲n(t)無相關(guān)性，且噪聲的平均值為0，則有Rsn()=Rns()=0，即：Rxy()=Rsy() （10）顯然，Rxy()中包含了信號所攜帶的信號，即

11、可把待測的信號檢測出來了。2.2 取樣積分法為了恢復(fù)淹沒于噪聲中的快速變化的微弱信號，可把每個信號周期分成若干個時間間隔（間隔的大小取決于回復(fù)信號所要求的精度），然后對這些時間間隔的信號進行取樣，并將各周期中處于相同位置的取樣進行積分。該積分過程常用模擬電路實現(xiàn)，稱之為取樣積分，其電路原理圖如圖四（a）所示。設(shè)r(t)為被測信號s(t)同頻的參考信號（不限為正弦信號）。經(jīng)延時t。后形成取樣脈沖，作用到取樣開關(guān)S，實現(xiàn)對輸入信號x(t)=s(t)+n(t)的取樣。每隔周期T進行一次取樣，則在電容C上的電壓就得到取樣信號的積累（即積分）。為防止積累造成溢出現(xiàn)象，在計算機的存儲器代替C的情況下，要再

12、對存儲信號進行處理。圖四（b）為取樣積分器波形示意圖。 （b）取樣積分器波形示意圖 圖四 取樣積分原理圖經(jīng)過n次積累平均，其輸出為：若噪聲的形式為白噪聲，由于不同時刻噪聲值不相關(guān)，有：所以其輸出為： 顯然，對信號波形的周期取樣與積分平均過程，就是對噪聲中周期脈沖信號的恢復(fù)過程。3應(yīng)用實例3.1 用相關(guān)測量運動物體的移動速度剛出軋輥的熱軋鋼板的溫度很高，測量其移動速度比較困難，可以在沿著鋼板運動方向在相距L處裝設(shè)兩個光學(xué)傳感器，檢測鋼板發(fā)射的紅外光或其他光，并將其轉(zhuǎn)換為兩路隨機電信號。對于冷軋鋼板或其他移動物體，可以在相距L處裝設(shè)兩個光源，再利用光敏器件檢測移動物體的反射光，也可以得到兩路隨機信

13、號。計算出這兩路隨機信號的互相關(guān)Rxy()函數(shù)，并由其峰點位置相應(yīng)的延時D，從而計算出物體的移動速度v=L/D，如圖五所示3.2 利用取樣積分器檢測霍爾電勢如圖六（a）所示的半導(dǎo)體薄片，若在它的兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感強度為B的磁場，則在磁場和電流的垂直方向上將產(chǎn)生電動勢VH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是半導(dǎo)體中的運動電荷受洛倫茲力的結(jié)果。設(shè)在N型半導(dǎo)體薄片的控制電流端通以電流I，則半導(dǎo)體中的電子的運動方向與電流方向相反。如果在垂直于半導(dǎo)體薄片的方向施加磁場，洛倫茲力的作用會使電子向一邊偏轉(zhuǎn)，如圖六（a）中的虛線箭頭方向。這會導(dǎo)致該邊的電子堆積，而另一邊則累積正

14、電荷，于是產(chǎn)生電場。該電場會阻止運動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)電場作用力與洛倫茲力相等時，電子的積累就達(dá)到動態(tài)平衡。這時，在薄片積累了電荷的兩個端面之間建立的電場稱為霍爾電場，相應(yīng)的電位差稱為霍爾電勢VH。當(dāng)I與B垂直時，Vg的大小為：VH=RH1B/d(v) (14)式中，RH為霍爾材料，取決于材料的物理性質(zhì)，單位為m3.C-1。如圖六(b)所示是利用霍爾元件檢測磁場強度，由于干擾磁場的存在，霍爾元件的輸出電勢常夾雜著明顯的噪聲。利用取樣積分器抑制噪聲，可以使輸出信噪比得以改善。霍爾元件輸出電勢中還包含了不等位電勢、寄生直流電勢、感應(yīng)電勢、溫度誤差等因素，這些因素都會影響測量結(jié)果的精確度。如果霍爾元件的激勵電流i是頻率f的方波，這相當(dāng)于對磁場強度進行載波測量，那么就可用基線取樣方法來補償檢測元件固有的偏差以及基線的漂移。4. 結(jié)束語 上述分析的幾種方法是微弱信號檢測中最基本的方法。微弱信號檢測問題關(guān)系到很多領(lǐng)域，以前的研究一直受到硬件條件的限制。隨著計算機應(yīng)用范圍的擴大，原來在微弱信號檢測中一些需要用硬件完成的檢測系統(tǒng)，可用軟件來實現(xiàn)，即計算機處理的方法，它是利用計算機進行曲線擬合、平滑、數(shù)字濾波、快速傅里葉變換