微弱信號檢測是指對湮沒在背景噪聲中的微弱信號的測量,由於微弱信號本身的漲落、背景和放大器噪聲的影響限制了它的測量靈敏度。其內涵為利用電子學和資訊理論的方法,研究噪聲的成因和規律,分析信號的特點和相關關係,發展新的檢研究的內容有:噪聲物測原理、微弱信號檢測理論、低噪聲設計、弱信號感測器和信號提取技術等。
基本介紹
- 書名：微弱信號檢測
- 作者：高晉占
- ISBN：9787302098171
- 定價：35
- 出版社：清華大學出版社
- 出版時間：2007年03月
- 開本：16
特點,相關介紹,
特點
①需要噪聲係數儘量小的前置放大器，並根據源阻抗與工作頻率設計最佳匹配；
②需要研製適合微弱檢測原理並能滿足特殊需要的器件；
③利用電子學和資訊理論的方法，研究噪聲的成因和規律，分析信號的特點和相干關係。自從1928年發現電阻中電子的熱騷動引起非周期性電壓以來，弱檢測技術受到普遍重視而得到迅速發展。
相關介紹
頻域信號的窄帶化技術
這是一種積分過程的自相關測量。利用加權函式鎖定信號的頻率與相位特性並加以平滑，使信號與隨機噪聲相區別。採用這種原理設計的儀器稱為鎖定放大器，其核心是相敏檢波器（見模擬相乘器）。伴有噪聲的信號與參考信號通過相敏檢波器相乘以後，輸入信號的頻譜成為直流項和倍頻項的頻譜遷移，通過後續低通濾波器保留與信號成正比的直流項。低通濾波器可增大積分時間常數，即壓縮等效噪聲頻寬，因而Q值可達102～108,噪聲幾乎抑制殆盡。微弱信號檢測是以時間為代價來獲得良好的信噪比。自1962年鎖定放大器問世以來，主要從三個方面提高其性能：一是提高檢測靈敏度和改善過載能力，充分擴展測量的線性範圍。最高靈敏度已達到0.1納伏（滿度），總增益為200分貝。有效的方法是用交流相敏檢波（如旋轉電容濾波器）對信號進入直流相敏檢波器前的交流放大和噪聲的預處理，或利用同步外差技術（檢測原頻或中頻），即利用交叉變換來濾除噪聲。二是克服相敏檢波器的諧波回響，降低高頻干擾和頻漂的影響。三是擴展被測信號的頻率範圍，擴展低頻以適應緩變信號的處理，要求良好的高頻回響以滿足通信和某些特殊測量的要求。
時域信號的積累平均法
若信號波形受噪聲干擾，則須採用平均法檢測法,即將波形按時間分割若干點,對所有固定點都積累N次，根據統計原理信噪比將改善倍。採用快速取樣頭對信號採樣平均，則時間解析度可與取樣示波器相同，約為100皮秒,並可用基線取樣法實現背景的扣除。但其缺點是每一個信號波形只取樣一次，效率很低，不利於檢測長周期信號。數字多點平均彌補了這個缺點，信號每出現一次，按時間分成許多取樣通道（如1204道），各道採集的值經數位化後存儲到各道對應的固定地址，計算機根據平均方式（線性、指數和歸一化平均）對每次取樣值進行處理。存儲器能長久保存信息，因此不受取樣次數的限制，同時具有簡化硬體、提高精度、自動測量、處理方便和防止誤操作等優點。但是，對於高重複頻率的信號，因受計算機速度的限制，尤其在用軟體代替部分硬體的情況下，速度更是需要解決的問題。
離散量的計數處理 當光子轉化為電子，倍增後的輸出是電脈衝，測量便成為離散量的計數技術。針對噪聲（如雜散光、場致發射、光反饋、熱電子發射、放射性和契倫柯夫輻射等）、信號（單位時間內的光子數）的機率分布、光脈衝的快速回響和堆積效果、量子效率及光子收集等問題，已研製出微弱光檢測的光子計數器。它首先需要特殊設計具有明顯的單光電子回響的光電倍增管、致冷和抗干擾措施，以及電子倍增極增益的合理分配。其次，由於光脈衝很窄，要求寬頻低噪聲前置放大，放大器終端還須設有兩個可調閾值的視窗甄別電路。最後，對所獲取並經甄別的信號進行計數和計算機處理，其中包括定常統計、背景扣除、源強度補償、誤差修正和信噪比的進一步改善。計數處理不限於光子檢測，如將模擬量用電壓-頻率轉換變成頻率,同樣可用計數方法提取信號。
並行檢測的多道分析
諸如弱光譜測量的進一步要求，希望在測量範圍內（如波長）用掃描方式同時獲得或記錄只有一次的單次閃光光譜，因此並行檢測方法得到發展。以阿達馬和傅立葉變換為基礎的多路轉換技術，因受噪聲的限制而套用不多，光圖像檢測與電視技術相結合的多道分析因與弱檢測技術配合而獲得成功。矽靶攝像管、析像管、微通道板等器件為並行檢測創造了條件，它們能將光學圖像變成電子圖像，相當於百萬個光電倍增管同時工作，利用掃描可按程式選取地址並讀出。由於矽靶等陣列可以增強並存儲信息，並可在光陰極與靶面（或增強級）之間採用門控方式。因此，光多道分析是弱光並行檢測與快速光現象時間分辨的結合與革新，提高了信噪比並節約了時間，為動力學研究創造了良好條件。
