微弱信号检测课件

—微弱信号检测—微弱信号检测2011年10月夏瑾Tel:13940205724—微弱信号检测—新学期、新气象，诸位同学好—微弱信号检测—课程介绍•教材：周求湛，弱信号检测与估计高晋占，微弱信号检测•辅助教材•（1）戴逸松著，微弱信号检测方法及仪器国防工业出版社；(2)曾庆勇，《微弱信号检测》（第二版），浙江大学出版社，1994；(3)陈佳圭著，《微弱信号检测》，中央广播电视大学出版社，1987；(4)陈佳圭、金瑾华著，《微弱信号检测：仪器的使用与实践》，中央广播电视大学出版社，1989。•文献资料(1)章克来,朱海明.微弱信号检测技术.航空电子技术,2009,02(2)杨汉祥.微弱信号检测技术的研究.科技广场,2009,01(3)包敬民.李向仓.微弱信号的检测技术,现代电子技术,2006,21(4)于丽霞.王福明.微弱信号检测技术综述,信息技术,2007,02……—微弱信号检测—课程介绍•课程特点基于信号处理理论分析电子器件模型：放大电路和常用电子器件提供常用去(遏)噪方法：相关、积分、调制、屏蔽介绍应用实例和实用设备用理论的方法分析实际问题对实际器件进行理论建模有用、有点难度、有点枯燥—微弱信号检测—基础知识－－请回顾一下•信号处理知识•电路、电磁学•电子器件随机信号、白噪声、滤波、FFT、卷积、调制解调……屏蔽、接地、电磁辐射、电场、磁场二极管、双极性晶体管、场效应管、运算放大器—微弱信号检测—第一章：理论基础第二章：放大器噪声源和特性第三章：干扰噪声第四章：方法－锁定放大第五章：方法－取样积分第六章：方法－相关算法第七章：方法－自适应纲要基本理论部分，发展，随机信号理论内部噪声理论外部噪声途径和遏制和频率变换相关。相敏检测+低通滤波时间换取空间，积分滤波卷积相关的一种信号处理方法。最优算法的应用。—微弱信号检测—第一章微弱信号检测和随机噪声—微弱信号检测—信号相对噪声幅值微弱。有时精度有要求，不得不考虑噪声一个人有1米7高喜欢到小朋友中间，鹤立鸡群，容易被看到来到NBA球队，太渺小，被淹没了唉，信号一微弱，问题很严重1.1微弱信号检测概述—微弱信号检测—1.1.1微弱信号容易被噪声淹没较明显的检测量传感器输出信号放大器检测量微弱电路噪声,或者外部干扰信号和噪声都放大了可惜信号经常很微弱，噪声一定会有放大器等引入（放大）噪声√×—微弱信号检测—1.1.2需要特别提示（1）以前我们说的信号检测，更多是如何检测某种物理量提到信号检测，你可能首先想到：热电偶测温度、超声测液位等测试方法、传感器物理模型和传感原理。其实本课程不是研究如何测试某微弱的物理量，而是指在对于物理量进行检测时，得到的电信号很微弱，这个信号容易被后期电路的噪声所淹没因此我们其实在研究如何遏制噪声信号微弱？加运放啊。可以我们说的微弱可能就是相对运放的噪声而言的—微弱信号检测—这个例子不知道是否可以帮助理解一个储气罐，4Mpa，如果要测漏，0.0001Mpa波动。差压法测定，不是我们研究的。－如果是绝压法，那么0.0001Mpa造成的微弱电信号改变，要能最终准确测定，这个可能和我们就有关了。—微弱信号检测—1.1.3需要特别提示（2）微弱的物理量，往往是得到导致微弱信号的原因1我们研究的并不是微弱物理量2对象是：相对噪声微弱的信号3研究怎么有效放大传感器得到的微弱信号，如何遏制噪声4—微弱信号检测—1.1.3微弱信号检测特点WSD•目的：提取需要检测到的微弱信息。•微弱：一般幅值小，但其实是相对噪声。•检测特点：遏制噪声（内部、外部）放大信号。提高信噪比•对象：研究噪声、信号。研究两者区别，并且利用该区别研发设备和方法•相对性：信号噪声可转换—微弱信号检测—1.1.4信号和噪声相关理论•分类：（1）确定性信号（2）随机信号•表示方法：（1）波形图（2）公式y=f(x)（3）其他：表格等•研究方法：（1）时域：均值、中值滤波、相关性、高斯分布（2）频率域：FFT、采样定理、低通、带通、带阻（3）其他：小波、分形等，特征分析—微弱信号检测—（1）确知信号与随机信号•确知信号：能够以确定的时间函数表示的信号，它在定义域内任意时刻都有确定的函数值。例如电路中的正弦信号和各种形状周期信号等。•随机信号：在事件发生之前无法预知信号的取值，即写不出明确的数学表达式，通常只知道它取某一数值的概率，具有随机性。例如，半导体载流子随机运动所产生的噪声和从目标反射回来的雷达信号（其出现的时间与强度是随机的）等都是随机信号。•所有的实际信号在一定程度上都是随机信号。—微弱信号检测—信号表示方法（1）波形图（2）公式y=f(x)如：y=sin(t)（3）其他：表格等v(t)ot—微弱信号检测—（2）信号分析方法•信号的性质可以从频域和时域两方面进行分析。•频域分析常采用傅里叶分析法。•时域分析主要包括卷积和相关函数。—微弱信号检测—（3）噪声与干扰的定义•噪声：通常把由于材料或器件（内部电路器件）的物理原因产生的扰动称为噪声，频谱分布一般比较宽。•干扰：把来自外部（人为或者自然）的扰动称为干扰，往往有一定的规律性和途径，可以减少或消除。•广义噪声：就是扰乱或者干扰有用信号的某种不期望有的扰动。（书本上）•噪声虽然无用，虽然讨厌，但是它时刻不在，既然躲不过，那么回避不如勇敢面对—微弱信号检测—1.1.5判断指标•噪声对信号的覆盖程度•改善的效果1.信噪比2.信噪改善比3.分辨率—微弱信号检测—（1）信噪比有用信号与噪声总是叠加在一起的，任何时候都不可能完全没有噪声，用信噪比来评价信号的品质优劣，信噪比S/N定义为有用信号的有效值与噪声有效值之比。NSSNR有效值可以取：电压SNRV、功率SNRFSNRV≠SNRF—微弱信号检测—（2）信噪比改善系数NS/输入信号和噪声电路处理系统改变信号和噪声比例（滤噪或混入噪声）'/'NS输出信号和噪声—微弱信号检测—（2）信噪比改善系数•评价一个放大器或者一个测试系统遏制噪声的能力•当信号通过一个放大器或者一个测试系统后，信噪比可能提高，也可能降低。•引入信噪比改善系数SNIR来描述放大器或测试系统对信噪比的改善作用，定义为•SNIR大好还是小好？哈哈，当然希望越大越好啊)/N(*)(S)/()/(输入信噪比输出信噪比oiioio/NSNSNSSNIR—微弱信号检测—一般的信号监控流程：检测系统输入量x示数y灵敏度xyK/分辨率x输入最小变化△x1，y产生可观察到变化输入变化△x，y产生△y变化以弹簧管压力表为例：大量程时，小压力波动不能测得变化（分辨率）。对于可以测得的压力波动，指针动多大角度，可以通过调节齿轮放大机构。—微弱信号检测—能够检测出的被测量的最小变化量2、分辨率---是相对数值：定义：1、分辨力---是绝对数值，如0.01mm，0.1g，10ms，……说明：表征测量系统的分辨能力能检测的最小被测量的变换量相对于满量程的百分数，如：0.1%,0.02%3、阀值---在系统输入零点附近的分辨力教材上没有区分两者对于微弱信号检测，最高分辨率可以达到的有关技术参数见P2表1－1—微弱信号检测—定义：测量系统输出量的增量与输入量的增量之比斜率：xyK/a.线性检测系统：灵敏度为常数；b.非线性检测系统：灵敏度为变数说明：bxaybK)(xfydxxdfK)((灵敏度系数)—微弱信号检测—灵敏度和放大倍数有关灵敏度(sensitivity）2V信号放大电路K14V显示4格2V信号放大电路K28V显示8格K2=2*K1—微弱信号检测—1.2常规小信号检测方法—微弱信号检测—常规小信号检测方法•相比微弱信号要容易检测•也是要提高信噪比•已经形成了一些成熟方法•两者方法上有相类似之处—微弱信号检测—（1）滤波一般来说,能改变信号中各个频率分量的相对大小、或者抑制甚至全部滤除某些频率分量的过程称为滤波。高频就是变化快的信号，图象中表现为边缘—微弱信号检测—（1）滤波工作原理•将一个在时域表示的信号，一般可以表示为y=f(t)，通过傅立叶变换，变换到频域，得到该信号在各个频率上的分布信息。•然后选择变换后信号在某些频率上的信息作为输出，去除该信号其他频率上的信息。•将滤波处理的频域信号，反变换到时域，得到结果。窗函数—微弱信号检测—（1.1）窗函数•研究信号在某一时间间隔或某一频率间隔内的特性，或者说希望观察信号在时域或频域的局部性能。可以利用“窗函数”对信号开窗。在时间域称为时域（时间）窗函数，在频率域称为频域（频率）窗函数•带宽的选择：小则滤波效果好，但是不稳定—微弱信号检测—例如：在机械加工中常常使用的电动轮廓仪来测量工件表面粗糙度。在测量过程中，电感传感器的测针沿被测表面滑过，这时，传感器输出的电压信号中包含三种成分：（1）表面坡度信号x1(t)f1（2）表面粗糙度信号x2(t)f2（3）高频电气干扰x3(t)f3且f1f2f3V0=x1(t)+x2(t)+x3(t)对V0进行频谱分析：见图为了准确地测量粗糙度信号，让V0分别通过一个低通滤波器和一个高通滤波器，分别滤掉f3和f1，这样f2就不失真地通过。—微弱信号检测—按功能分：•低通滤波器*•高通滤波器•带通滤波器*•带阻滤波器使用场合，信号和噪声频谱需不重合（1.2)滤波器类型（以下有所扩展）—微弱信号检测—从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。适用和不适用信号？低通滤波器遏制高频噪声，用于有用信号缓慢变化的场合，对于低频噪声没有作用—微弱信号检测—与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。高频是一种突变形的信号。高通滤波器—微弱信号检测—它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。带通滤波器—微弱信号检测—阻带在频率f1～f2之间。使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。如处理50Hz的工频干扰带阻滤波器—微弱信号检测—•低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。—微弱信号检测—低通滤波器与高通滤波器的串联可通频段—微弱信号检测—低通滤波器与高通滤波器的并联信号调节器可通频段—微弱信号检测—你应该知道的：•傅里叶变换•记为：F（jω）=F{f（t）}f（t）=F-1{F（jω）}dtetfjFtj)()(dejFtftj)(21)(—微弱信号检测—频谱图亮处能量高—微弱信号检测—原图、幅度谱、相位谱（1-1)—微弱信号检测—低通效果原图处理后—微弱信号检测—低通（模糊）效果f(x,y)G(u,v)理想低通滤波器高斯低通滤波器巴特沃思低通滤波器×—微弱信号检测—（2）调制和解调信号不同频噪声不同频可分滤波后放大器信号和噪声不同频率，滤波可分—微弱信号检测—滤波能行？信号同频噪声同频不可分—微弱信号检测—信号同频噪声滤波可分？看来需要对信号先处理下。信号改变频率—微弱信号检测—（2.1）调制和解调•调制是将要传送的信息装载到某一（高频振荡）载频信号上去的过程。有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种方式。•调幅调制方式：用（低频）调制信号去控制（高频正弦波）载波的振幅,使其随调制信号波形的变化而变化。•对于直流、低频信号，避免1/f噪声和缓慢漂移—微弱信号检测—（2.2）调制和解调•过程中包括了二次的频谱迁移•放大器间可以用隔直电容（低通滤波）•放大可以采用交流放大—微弱信号检测—调制和解调—微弱信号检测—调制:相乘)(tgt0cos00mmttgtf0cos)()()]()([21)]()([*)(21)(0000