《微弱信号检测》PPT课件
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4.3 微弱信号检测
4.3.0 概述 4.3.1 信噪比改善（SNIR） 4.3.2 相关检测原理 4.3.3 锁定放大器 4.3.4 取样积分器
精选课件
1
4.3.0 概 述
精选课件
2
一.微弱信号检测定义
前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些 基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产 生噪声“污染”；但如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声 或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信号 处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之 中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同 特点，借助一些特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离， 将信号从噪声中提取出来。
精选课件
7
3．离散量的统计计数技术
用PMT（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完 成）实现光子计算。
4．单次信息的并行检测技术
对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期 信号的检测，可采用并行检测技术。实现并行检测需要一 个探测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以 依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路 传输和多道技术。典型例子：光学多通道分析器（OMA－ Optical Multichannel Analyzer ）。
根据不同信号的特点，微弱信号检测的途径 一般有三条：
一是降低探测器与放大器的固有噪声，尽量提 高其信噪比；
二是研制适合弱检原理并能满足特殊需要的器 件，例如，超导红外探测器；
三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各 种手段提取信号。
这三者缺一不可。
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5
三 .各种弱信号检测技术
1．时域相关与频域的窄带化技术
利用时域中周期信号的相关性而噪声的随机、不相关性（或弱 相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背 景下提取周期信号的“相关检测”。这相当于在频率中窄带化滤除 干扰和噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。
2．平均积累处理
对于一些宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据 时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的取样积分器可获 得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波 形，每周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则信噪比改善。因 为“信号电压幅值为线性叠加”（有规律的周期信号）而“噪声功 率为矢量相加”（无规律的随机信号）。
3dB带宽
精选课件
13
由等效噪声带宽的定义
fn
0
AV
2
(
f
)df
AV 2( f0)
1
2
d
1
2
d
0
n
1RC 2 AVj0
0
1RC 2
1
等效噪声带宽 角频率表示
2RC
ω取零频时具有最大值
或
fn
0
1
2 df
1
12RC2
4RC
精选课件
等效噪声带宽 频率表示
14
时间常数相同的RC网络等效噪声带宽比3dB带宽要宽：
平均功率（噪声功率）
精选课件
16
2） 噪声功率谱密度
Sn(f) lfi m 0in 2(f, fff)
Sn(f)表示单位频谱的噪声功率
in2(f, f f) 表示频率在f与f+∆f之间的噪声频谱分量的平均功率 总噪声功率可由Sn(f)在频域上的积分得到：
SNIR m
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6
例：窄带滤波法
由图看出：使用了窄
带通滤波器后，则
AV2（f）
输出信噪比划 信＝斜 号线 主的 峰矩 下形 的＞ 面 面1 积 积
如果B选得很窄，则输出信 噪比还能更大一些。
窄带通滤波器的实现方式很多，常见的有双T选频，LC调谐， 晶体窄带滤波器等，但这种方法不能检测深埋在噪声中的信 号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。更好的方 法是用锁定放大器和取样积分器。
带阻滤Байду номын сангаас波器 (f0)
+
比 较
计 数
器
－噪声
双路消噪原理框图
只能用来检测微弱的正弦精波选课信件号是否存在，并不能复现波形。 9
四 .常用弱检仪器
可供选用的弱检仪器，目前有如下几种： 低噪声前放； 各种锁定放大器（LIA）； 各种取样积分器（Boxcar）； 多点信号平均器； 光子计数器； 光多通道分析仪（OMA）
精选课件
8
5．自适应噪声抵消法（双路消噪法）
如输入信号中混有干扰或噪声时，可以另外找到一个 通道，它含有与信号通道中同样的干扰和噪声，然后两通 道相减而将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合 在信号频带范围内存在强干扰的情况下抑制干扰。
正弦波 加噪声
低噪声 放大器
窄带通
滤波器 (f0)
低噪声 放大器
S/N << 1 －－微弱信号（微弱光电信号）
精选课件
3
微弱信号检测定义：利用电子学、信息论 和物理学的方法，分析噪声产生的规律找 到抑制的方法；研究被测信号的特点和相 干性，检测被背景噪声淹没的弱信号。
微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合 领域，可划归“低噪声电子学”。
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4
二 . 微弱信号检测的途径
1） 噪声功率
噪声是一种平稳随机信号； 噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方法，通 常采用先计算噪声电压(电流)的平方值，然后将其对时间作 平均，来求噪声电压(电流)的均方值，即：
u i Un 2
lim 1 T T
T 0
2(t)d t或
n
in2
lim1 TT
T 0
2(t)dt
n
表示噪声电压(电流)消耗在1Ω电阻上的
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10
4.3.1 信噪比改善（SNIR）
精选课件
11
一、有关带宽的一些定义 1. 等效噪声带宽（ENBW）
定义：设系统的功率增益为AV2（f），且f = f 0时AV2（f） 取得最大值AV2（f0），那么，系统的等效噪声带宽为
fn
AV 2( f )df
0
AV 2( f0)
AV 2 ( f )
对于一阶低通滤波器， fn 14RC f 12RC 2
对于二阶低通滤波器，～1.22 对于三阶低通滤波器，～1.15
对于四阶低通滤波器，～1.13
对于五阶低通滤波器，～1.11
滤波器的阶次越高，Δfn和Δf的比值越来越接近于1，其幅频响
应曲线越接近于理想滤波器。
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15
2. 噪声通过系统的情况
fnAV2(f0)
是矩形面积
对同一个系统，可分别根据定义求出其等效噪声带宽和3dB
带宽，这两者之间存在一定的关系，但不完全相等。
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12
例：求一阶RC低通滤波器电路的3dB带宽和等效噪声带宽
AVj
频率响 应函数
1
AVjUUoi
jC
R 1
1
1 jRC
jC
AVj
1
1RC2
幅频响应
f 1
2RC
4.3.0 概述 4.3.1 信噪比改善（SNIR） 4.3.2 相关检测原理 4.3.3 锁定放大器 4.3.4 取样积分器
精选课件
1
4.3.0 概 述
精选课件
2
一.微弱信号检测定义
前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些 基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产 生噪声“污染”；但如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声 或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信号 处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之 中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同 特点，借助一些特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离， 将信号从噪声中提取出来。
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7
3．离散量的统计计数技术
用PMT（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完 成）实现光子计算。
4．单次信息的并行检测技术
对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期 信号的检测，可采用并行检测技术。实现并行检测需要一 个探测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以 依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路 传输和多道技术。典型例子：光学多通道分析器（OMA－ Optical Multichannel Analyzer ）。
根据不同信号的特点，微弱信号检测的途径 一般有三条：
一是降低探测器与放大器的固有噪声，尽量提 高其信噪比；
二是研制适合弱检原理并能满足特殊需要的器 件，例如，超导红外探测器；
三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各 种手段提取信号。
这三者缺一不可。
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5
三 .各种弱信号检测技术
1．时域相关与频域的窄带化技术
利用时域中周期信号的相关性而噪声的随机、不相关性（或弱 相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背 景下提取周期信号的“相关检测”。这相当于在频率中窄带化滤除 干扰和噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。
2．平均积累处理
对于一些宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据 时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的取样积分器可获 得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波 形，每周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则信噪比改善。因 为“信号电压幅值为线性叠加”（有规律的周期信号）而“噪声功 率为矢量相加”（无规律的随机信号）。
3dB带宽
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13
由等效噪声带宽的定义
fn
0
AV
2
(
f
)df
AV 2( f0)
1
2
d
1
2
d
0
n
1RC 2 AVj0
0
1RC 2
1
等效噪声带宽 角频率表示
2RC
ω取零频时具有最大值
或
fn
0
1
2 df
1
12RC2
4RC
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等效噪声带宽 频率表示
14
时间常数相同的RC网络等效噪声带宽比3dB带宽要宽：
平均功率（噪声功率）
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16
2） 噪声功率谱密度
Sn(f) lfi m 0in 2(f, fff)
Sn(f)表示单位频谱的噪声功率
in2(f, f f) 表示频率在f与f+∆f之间的噪声频谱分量的平均功率 总噪声功率可由Sn(f)在频域上的积分得到：
SNIR m
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6
例：窄带滤波法
由图看出：使用了窄
带通滤波器后，则
AV2（f）
输出信噪比划 信＝斜 号线 主的 峰矩 下形 的＞ 面 面1 积 积
如果B选得很窄，则输出信 噪比还能更大一些。
窄带通滤波器的实现方式很多，常见的有双T选频，LC调谐， 晶体窄带滤波器等，但这种方法不能检测深埋在噪声中的信 号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。更好的方 法是用锁定放大器和取样积分器。
带阻滤Байду номын сангаас波器 (f0)
+
比 较
计 数
器
－噪声
双路消噪原理框图
只能用来检测微弱的正弦精波选课信件号是否存在，并不能复现波形。 9
四 .常用弱检仪器
可供选用的弱检仪器，目前有如下几种： 低噪声前放； 各种锁定放大器（LIA）； 各种取样积分器（Boxcar）； 多点信号平均器； 光子计数器； 光多通道分析仪（OMA）
精选课件
8
5．自适应噪声抵消法（双路消噪法）
如输入信号中混有干扰或噪声时，可以另外找到一个 通道，它含有与信号通道中同样的干扰和噪声，然后两通 道相减而将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合 在信号频带范围内存在强干扰的情况下抑制干扰。
正弦波 加噪声
低噪声 放大器
窄带通
滤波器 (f0)
低噪声 放大器
S/N << 1 －－微弱信号（微弱光电信号）
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3
微弱信号检测定义：利用电子学、信息论 和物理学的方法，分析噪声产生的规律找 到抑制的方法；研究被测信号的特点和相 干性，检测被背景噪声淹没的弱信号。
微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合 领域，可划归“低噪声电子学”。
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二 . 微弱信号检测的途径
1） 噪声功率
噪声是一种平稳随机信号； 噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方法，通 常采用先计算噪声电压(电流)的平方值，然后将其对时间作 平均，来求噪声电压(电流)的均方值，即：
u i Un 2
lim 1 T T
T 0
2(t)d t或
n
in2
lim1 TT
T 0
2(t)dt
n
表示噪声电压(电流)消耗在1Ω电阻上的
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10
4.3.1 信噪比改善（SNIR）
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11
一、有关带宽的一些定义 1. 等效噪声带宽（ENBW）
定义：设系统的功率增益为AV2（f），且f = f 0时AV2（f） 取得最大值AV2（f0），那么，系统的等效噪声带宽为
fn
AV 2( f )df
0
AV 2( f0)
AV 2 ( f )
对于一阶低通滤波器， fn 14RC f 12RC 2
对于二阶低通滤波器，～1.22 对于三阶低通滤波器，～1.15
对于四阶低通滤波器，～1.13
对于五阶低通滤波器，～1.11
滤波器的阶次越高，Δfn和Δf的比值越来越接近于1，其幅频响
应曲线越接近于理想滤波器。
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15
2. 噪声通过系统的情况
fnAV2(f0)
是矩形面积
对同一个系统，可分别根据定义求出其等效噪声带宽和3dB
带宽，这两者之间存在一定的关系，但不完全相等。
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12
例：求一阶RC低通滤波器电路的3dB带宽和等效噪声带宽
AVj
频率响 应函数
1
AVjUUoi
jC
R 1
1
1 jRC
jC
AVj
1
1RC2
幅频响应
f 1
2RC