西电《光电检测》之8-微弱信号检测[1]

各种装饰性光导纤维DocuComPDFTrial发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠DocuComPDFTrial微弱信号检测利用电子学、物理学和信息论方法；分析噪声产生规律、研究信号的特征与相关性，以处理和恢复微弱信号粗略估计，即平均每5～6年测量的极限就提高一个数量级DocuComPDFTrial噪声与干扰•噪声的定义是有害信号----噪声由一系列随机电压组成，其频率和相位都是彼此不相干的，而且连续不断；•干扰通常都有外界的干扰源，是周期的或瞬时的、有规律的•往往噪声电平远远大于测量信号，即信号“深埋”（或称“淹没”）于噪声之中•产生噪声的噪声源有很多类型，主要有信号源电阻的热噪声、接收及处理信号仪器的电路产生的噪声、电源和环境干扰等DocuComPDFTrial噪声性质•外部----可消除•内部----不能消除，尽量减小，随机的，研究对象DocuComPDFTrial随机噪声•热噪声：任何导体中载流子的无规则运动和载流子密度的热涨落产生的一种噪声电压。DocuComPDFTrial•散粒噪声：载流子通过电子器件由不均匀结构或载流子的发射、复合速度的不均匀引起的，电流噪声。•热噪声和散粒噪声都与频带宽度有关，与频率无关，统称为白噪声。•可通过压缩带宽来减小。DocuComPDFTrial•1/f噪声•直流漂移就是闪烁噪声在极低频率的表现。DocuComPDFTrial•放大器噪声•信噪比：放大微弱信号时，信噪比和放大倍数都必须足够大；•噪声系数：输入/输出端的信噪比•信噪改善比：输出/输入端的信噪比。DocuComPDFTrial噪声的概率分布()()2112nnPnnnpndn=∫[]()Ennpndn∞−∞=∫[][]()()[]222DnnEnpndnEnEn∞−∞⎡⎤=−=−⎣⎦∫[]()1lim2TTTEnnntdtT−→∞==∫()2221lim2TTTEnnntdtT−→∞⎡⎤==⎣⎦∫DocuComPDFTrial微弱信号检测一般有三条途径：•一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；•二是研制适合微弱信号检测原理并能满足特殊需要的器件；•三是利用微弱信号检测技术，通过各种手段提取信号。这三者缺一不可，但主要还是第三条，即研究其检测方法。DocuComPDFTrial•相关处理•锁定放大•取样积分•自适应噪声抵消•低噪声前置放大DocuComPDFTrial相关检测法•所谓相关检测就是利用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关函数值的计算，达到从噪声中检测出微弱信号目的的一种技术•相关检测分为自相关检测和互相关检测两种情形DocuComPDFTrial两个随机过程的相关性•对两个信号，定义相关函数–互相关Rxy函数∫−∞→−=2/2/)()()(1TTTxydttytxRTLimττDocuComPDFTrial–自相关函数：∫−∞→−=2/2/)()()(1TTTdttxtxRTLimττ•白噪声，自相关函数=0DocuComPDFTrial噪声的相关函数•噪声的自相关函数•噪声的互相关函数()()()1lim2TTTRntntdtTττ−→∞=−∫()()()1212,xyRttExtyt=⎡⎤⎣⎦()()()()121,lim2TxyxyTTRttRxtytdtTττ−→∞==−∫()()()()121,lim2TyxyxTTRttRytxtdtTττ−→∞==−∫DocuComPDFTrial•自相关函数为偶函数，前延和后延对自相关函数值均无差别；•自相关函数的周期与原信号周期一致；•原信号通过自相关运算后相位信息将消失。DocuComPDFTrial相关检测)()()(tntStx+=)()()(τττ−+−=−tntStxDocuComPDFTrial•设有信号S(t)，通过如上图所示的功能器件则有：dttntStntSTR∫−+−+=)]()([)]()([1)(τττ)()(ττnnSSRR+=如果参考信号是“干净”的，则只剩下第一项DocuComPDFTrial相关检测的矢量解释•参考信号：–可看成是基矢(正弦波)或基矢的线性组合（非正弦波，如方波）•检测信号：–可看成是由多个正弦信号的线性组合•旋转坐标系，ωR–检测信号绕参考信号作相对转动DocuComPDFTrial•检测结果(对基矢投影)：–被检信号与参考信号相对稳定不动；有稳定输出--直流–被检信号与参考信号有相对运动；有不稳定输出--交流•通过阻容电路（积分器）可滤除交流，取出直流DocuComPDFTrial•自相关检测原理()()()xtstnt=+()ssRτDocuComPDFTrial•互相关检测原理框图()()()xtstnt=+()xyRτ()ytDocuComPDFTrial•①输入只有信号、没有噪声时()iVt()oVt()rVt()()()sinisssVtVtVwtϕ==+()()sinrrrVtVwtϕ=+()()()()0cos2TVVosrsrsrKKVtVtVtdtVVTϕϕ==−∫DocuComPDFTrial•②输入只有噪声、没有信号时•③当输入中同时有信号和噪声时，输出则为上面两个结果之和；由②知，当积分时间足够长时，可实现噪声抑制，检测出被测有用信号()()()()()sininnVtVttwttρϕ==+()()()()()()(){}00coscos22TVonrTVrnrnrKVtVtVtdtTKVttttdtTρϕϕωϕϕ==−−++⎡⎤⎣⎦∫∫DocuComPDFTrial锁定放大起到了一个极窄的带通滤波器的作用，而不是普通滤波器。它的原理也是基于信号和噪声在相关特性方面的差别DocuComPDFTrial噪声与干扰•通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。•把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。•锁定放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。DocuComPDFTrial•宽带的或持续的无用信号•通常把可以减少或消除的外部扰动称为干扰，把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。DocuComPDFTrial•瞬时的或窄带的无用信号•市电50Hz或100Hz（整流等）；电台；开关通/断；高能量的脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；雷电等DocuComPDFTrial实验室中的典型噪声环境•50Hz–电源布线，仪器内部功率单元等•50Hz的谐波–可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛刺•电气触点的通/断–触点的通/断总伴随着电火花或电弧DocuComPDFTrial•高频信号–开关电源–大功率高频振荡器•1/f噪声DocuComPDFTrial频率单位带宽的相对功率实验室环境的噪声与干扰分布市电50Hz150Hz100Hz200Hz典型宽带干扰范围调幅广播调频广播DocuComPDFTrial检测系统的屏蔽与接地•噪声的引入:–电容性偶合：电场引起，噪声源内阻高–电感性偶合：磁场引起，噪声源内阻低DocuComPDFTrial•电容性偶合：–降低电路的阻抗，–在噪声源与信号线之间建立导电屏障，屏障接地。例屏蔽线，铜罩壳等。DocuComPDFTrial•电感性偶合–减少回路面积，–用铁磁性物质包围噪声源。例如，变压器的外壳，双绞线。DocuComPDFTrial接地•接大地：–消除电位差；消静电。•接信号地：–信号的公共点，提供信号回路，减少阻抗。1MHz低频以下可采用一点接地，10MHz以上高频可采用大面积多点接地。还要注意区分模拟地和数字地。DocuComPDFTrial测量技术的分类•非相关测量–普通的电压表，示波器，频率计等–使用方便，用途广泛•相关测量–锁定放大器，同步积分器，数字滤波器等–抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高DocuComPDFTrial锁定放大器的工作原理•1962年第一台仪器问世，发现俄歇效应。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个非常重要的品种。•信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。DocuComPDFTrial•锁定（锁相）放大器（lock-inamplifier）就是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。锁定放大器可在比被测光信号强100dB的外来干扰中检测出目的信号。DocuComPDFTrial锁定放大器有三个特点：•用调制器将直流或渐变信号调制到处，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；•利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；•利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。DocuComPDFTrial检相器是一个相位比较装置，它把输人信号和参考信号进行比较。当两个信号的相位完全相同时，经低通滤波器后，输出信号的直流分量达到最大。DocuComPDFTrial锁相放大技术的四个基本环节：•通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；•在调制频率上对有用信号进行选频放大；•在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；•通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。DocuComPDFTrial•相敏检测器是锁定放大器的核心部件，它实现了被测信号与参考信号的互相关运算。相敏检测器有模拟乘法器式和电子开关式，其中电子开关式相敏检测器由于受到参考信号幅度波动的影响较小，所以得到更广泛的应用。•电子开关式相敏检测器的输出等效为被测信号与幅度为、占空比为50％的方波信号r(t)的乘积。DocuComPDFTrial•设输入信号为：•根据傅立叶变换，r(t)可用三角函数的形式表示。•0()cos()xtVtωθ=+1014(1)()cos[(21)]21nnrtn