第15章 微弱信號(hào)檢測(cè)

第15章微弱信號(hào)檢測(cè)知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)微弱信號(hào)、微弱信號(hào)檢測(cè)、噪聲的概念；噪聲的概率分布和相關(guān)函數(shù)；微弱信號(hào)的檢測(cè)方法（相關(guān)檢測(cè)法、同步積累法）。能力點(diǎn)理解微弱信號(hào)、微弱信號(hào)檢測(cè)、噪聲的概念；了解噪聲的概率分布和相關(guān)函數(shù)；了解微弱信號(hào)的檢測(cè)方法（相關(guān)檢測(cè)法、同步積累法）。重難點(diǎn)重點(diǎn)：微弱信號(hào)、微弱信號(hào)檢測(cè)、噪聲的概念。難點(diǎn)：微弱信號(hào)的檢測(cè)方法。學(xué)習(xí)要求了解微弱信號(hào)、微弱信號(hào)檢測(cè)、噪聲的概念；了解噪聲的概率分布和相關(guān)函數(shù)；了解微弱信號(hào)的檢測(cè)方法（相關(guān)檢測(cè)法、同步積累法）。15.1概述微弱信號(hào)是相對(duì)背景噪聲而言，其信號(hào)幅度的絕對(duì)值很小、信噪比很低（遠(yuǎn)小于1）的一類(lèi)信號(hào)微弱信號(hào)檢測(cè)的任務(wù)是采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)、數(shù)學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，對(duì)被噪聲淹沒(méi)的微弱有用信號(hào)進(jìn)行提取和測(cè)量微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從噪聲中提取出有用信號(hào)，或用一些新技術(shù)和新方法來(lái)提高檢測(cè)系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)的信噪比15.2噪聲噪聲是對(duì)有用信號(hào)的某種不期望的擾動(dòng)，包括非被測(cè)信號(hào)或非測(cè)量系統(tǒng)所引起的噪聲和來(lái)自于被測(cè)對(duì)象、傳感器、測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲兩種情況噪聲是一種連續(xù)型隨機(jī)變量，在不同時(shí)刻可能出現(xiàn)不同的噪聲值噪聲的概率分布

噪聲的相關(guān)函數(shù)

噪聲的自相關(guān)函數(shù)噪聲的互相關(guān)函數(shù)15.3微弱信號(hào)檢測(cè)方法15.3.1相關(guān)檢測(cè)法所謂相關(guān)檢測(cè)就是利用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn)，通過(guò)自相關(guān)或互相關(guān)函數(shù)值的計(jì)算，達(dá)到從噪聲中檢測(cè)出微弱信號(hào)目的的一種技術(shù)相關(guān)檢測(cè)分為自相關(guān)檢測(cè)和互相關(guān)檢測(cè)兩種情形

（1）自相關(guān)檢測(cè)自相關(guān)檢測(cè)原理（2）互相關(guān)檢測(cè)互相關(guān)檢測(cè)原理框圖相干檢測(cè)原理

①輸入只有信號(hào)、沒(méi)有噪聲時(shí)②輸入只有噪聲、沒(méi)有信號(hào)時(shí)③當(dāng)輸入中同時(shí)有信號(hào)和噪聲時(shí)，輸出則為上面兩個(gè)結(jié)果之和；由②知，當(dāng)積分時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)噪聲抑制，檢測(cè)出被測(cè)有用信號(hào)鎖相放大器

鎖相放大器是一種利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的同步相干檢測(cè)儀，用于對(duì)檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，鎖相放大器具有極強(qiáng)的抑制噪聲的能力。鎖相放大器利用參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)具有相關(guān)性，而與噪聲信號(hào)互不相關(guān)的特性，通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算來(lái)削弱噪聲的影響。15.3.2同步積累法同步積累法是基于信號(hào)的穩(wěn)定性和噪聲的隨機(jī)性，當(dāng)信號(hào)多次重復(fù)時(shí)，由于信號(hào)周期性的重復(fù)，噪聲卻不具有這個(gè)特性，這樣，每個(gè)周期的信號(hào)受到的干擾不同，在接收端就會(huì)收到不同畸變的信號(hào)，對(duì)畸變信號(hào)進(jìn)行多次對(duì)照就可識(shí)別出信號(hào)的原形。信號(hào)重復(fù)的次數(shù)越多，接收機(jī)輸出的信號(hào)就越接近原始信號(hào)，信噪比越高，即系統(tǒng)抑制噪聲的能力越強(qiáng)同步積累器的工作原理設(shè)信號(hào)是一串周期窄脈沖，檢測(cè)時(shí)可把信號(hào)通路接到一個(gè)分配器上，分配器的每一個(gè)輸出都接到一個(gè)積累器，工作時(shí)信號(hào)通路被分配器輪流地接到不同的積累器上假設(shè)分配器的工作周期和信號(hào)的重復(fù)周期相同，并設(shè)分配器從一個(gè)出路到另一個(gè)出路的切換時(shí)間可以忽略，則分配器的工作周期被分割成若干個(gè)時(shí)間區(qū)間（取決于積累器的個(gè)數(shù)），在每次信號(hào)到來(lái)的那個(gè)時(shí)間區(qū)間都能保證通路恰好接到同一個(gè)積累器上，所以這種方法稱(chēng)為同步積累只要重復(fù)的次數(shù)足夠多，基于同步積累法就可以把噪聲中的微弱信號(hào)提取出來(lái)，而且重復(fù)的次數(shù)越多，提取微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)同步積分器同步積分器是采用對(duì)信號(hào)和噪聲多次累積平均的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)將已知頻率的信號(hào)從噪聲中提取出來(lái)的，同步積分器特別適用于對(duì)方波信號(hào)的提取。信號(hào)只有兩個(gè)狀態(tài)，因此只需要兩個(gè)同步積累器，同步積累器是采用積分器來(lái)完成對(duì)信號(hào)的積累的，故稱(chēng)為同步積分器。取樣積分器

取樣積分器利用了對(duì)信號(hào)逐點(diǎn)多次采樣、積分求平均值的方法。要測(cè)量淹沒(méi)在噪聲中的周期脈沖信號(hào)，用一個(gè)采樣時(shí)間極短的采樣保持器去周期地采集信號(hào)，如果采樣周期和信號(hào)周期相同，則采集點(diǎn)相對(duì)波形的位置將不變。如果被測(cè)信號(hào)是無(wú)噪聲的、穩(wěn)定的周期信號(hào)，則每次采樣的數(shù)值是不變的，它的積分平均值就等于該信號(hào)此刻的瞬時(shí)值；如果被測(cè)信號(hào)中存在隨機(jī)噪聲，則各次采樣的數(shù)值均可能偏離有用信號(hào)的瞬時(shí)值，但如果采樣保持器的電容足夠大，對(duì)采集到的輸入電壓有積分作用，則噪聲的影響會(huì)減弱，采集次數(shù)越多，噪聲的平均值就越小，當(dāng)次數(shù)足夠大時(shí)，可以認(rèn)為噪聲取樣趨于0，但穩(wěn)定的有用信號(hào)不受積分平均的影響。數(shù)字多點(diǎn)平均器

使用取樣間隔控制器對(duì)取樣位置進(jìn)行控制，使N（如1024）個(gè)開(kāi)關(guān)順序打開(kāi)，分別對(duì)信號(hào)波形上的N個(gè)點(diǎn)進(jìn)行順序取樣，并把取樣結(jié)果分別存入到N個(gè)電容器中進(jìn)行積累，待積累完成后再依次順序輸出每一個(gè)電容上的電壓，從而恢復(fù)信號(hào)波形。這種多點(diǎn)信號(hào)平均方法可以在一個(gè)信號(hào)波形上每掃描一次就采樣

個(gè)點(diǎn)，大大減少了信號(hào)測(cè)量的時(shí)間。數(shù)字多點(diǎn)平均處理原理數(shù)字多點(diǎn)平均器的適用條件信號(hào)必須是周期性重復(fù)信號(hào)，但其周期重復(fù)次數(shù)不一定要求是無(wú)限的同步信號(hào)必須準(zhǔn)確可靠地與測(cè)試信號(hào)同頻、同相，由同步信號(hào)倍頻后得到的取樣時(shí)鐘信號(hào)能可靠地、等間隔地啟動(dòng)各周期內(nèi)的i次取樣，而且能夠保證m次掃描中取樣