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微弱信号检测技术的研究剖析
编号
微弱信号检测技术的研究
ResearchonWeakSignalDetectionTechnology
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年月日
摘要
在自然现象和规律的科学研究和工程实践中,经常会遇到需要检测毫微伏量级微弱信号的问题,比如测定地震的波形和波速、材料分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及物电信号测量等,这些问题都归结为噪声中微弱信号的检测。
在物理、化学、生物医学、遥感和材料学等领域有广泛应用。
微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机和物理学方法,分析噪声产生的原因和规律,研究被测信号的特点和相关性,检测被噪声淹没的微弱有用信号。
微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用信号,任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术,从而将其应用于各个学科领域当中。
本文对弱信号的定义和弱信号的应用范围进行了概述,综述了微弱信号检测理论研究和实际应用领域的发展情况,重点比较了目前在微弱信号检测技术中应用的方法:
相关检测、锁相放大器微弱信号检测、取样积分法、基于小波分析的微弱信号检测、基于混沌振子的微弱信号检测,最后总结了各个方法的特点。
关键字:
微弱信号检测噪声锁相放大器
ABSTRACT
Inthenaturalphenomenonandlawofscientificresearchandengineeringpractice,oftenbeexpectedtotestbaekhomicrovoltsmiddleweightweaksignalissues,suchasdeterminationofearthquakewaveandwavevelocity,materialanalysiswhenmeasuringfluorescentlightintensity,satellitesignals,infrareddetectionandsignalmeasurementofthings,theseproblemsboildowntoaweaksignalinthenoiseofthetest.Inthephysical,chemical,biologicalmedicine,remotesensingandmaterialscienceandotherfieldshaveawidelyused.Weaksignaldetectiontechnologyistheelectronics,informationtheory,computerandphysicsmethod,analyzesthereasonsofthenoiseandtostudythelawsofthemeasuredsignalcharacteristicsandcorrelation,detectionwassubmergedinthefaintnoiseusefulsignal.Theaimoftheweaksignaldetectionisstudyinghowstrongnoisefromtheextractusefulsignal,thetaskistostudythetheoryofweaksignaldetection,explorenewmethodsandnewtechnology,anditsapplicationinthefieldofeachsubject.
Thedefinitionoftheweaksignalandtheapplicationrangeoftheweaksignalwerereviewedinthispaper,theweaksignaldetectionintheoreticalresearchandpracticalapplicationofthefielddevelopmentsituation,thekeyisthecurrentweaksignaldetectiontechnologyintheapplicationmethod:
relateddetection,lock-inamplifierweaksignaldetection,samplingintegralmethod,basedonthewaveletanalysis,weaksignaldetectionbasedonchaoticoscillatorweaksignaldetection,finallysummarizedthecharacteristicsofeachmethod.
Keywords:
Weaksignal,detection,andnoise,lock-inamplifier
第1章绪论
1.1引言
科学技术发展到今天,人类对客观世界的认识越来越细微、越来越深入。
极端条件下的物理实验已经成为人类认识自然的重要手段,而这些经常离不开及其微弱信号的检测。
同时生产、生活的发展也经常要求用到弱信号检测技术。
这里的弱信号通常指的是一些非常微弱的物理量,如弱光、弱声、弱磁、微小位移,温度等等,这些微弱物理量一般都要通过各种传感器转换成电信号来进行检测。
但这种弱电信号常常淹没在很强(往往上千倍数十万倍甚至更强)的背景噪声中,而且弱信号本身也往往存在涨落,这种涨落也构成噪声。
因此从如此强的背景噪声中检测出所需要的信号,便成了一门很重要的技术[1]。
1.2微弱信号的定义
在自然现象和规律的科学研究和工程实践中,经常会遇到需要检测毫微伏量级信号的问题,比如测定地震的波形和波速、材料分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及生物电信号测量等,这些问题都归结为噪声中微弱信号的检测。
在物理、化学、生物医学、遥感和材料学等领域有广泛应用。
微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法,分析噪声产生的原因和规律,研究被测信号的特点和相关性,检测被噪声淹没的微弱有用信号。
微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用信号,任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术,从而将其应用于各个学科领域当中。
1.3微弱信号的应用范围及当前的研究背景
随着现代科学研究和技术的发展,人们越来越需要从强噪声中检测出有用的微弱信号,于是逐渐形成了微弱信号检测这门新兴的科学技术学科,其应用范围遍及光学、电学、磁学、声学、力学、医学、材料等领域。
微弱信号检测技术是利用电子学、信息论、计算机及物理学的方法,分析噪声产生的原因和规律,研究被测信号的特点与相关性,检测被噪声淹没的微弱有用信号,或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比,从而提取有用信号。
微弱信号检测所针对的检测对象,是用常规和传统方法不能检测到的微弱量。
对它的研究是发展高新技术,探索及发现新的自然规则的重要手段,对推动相关领域的发展具有重要的应用价值。
目前,微弱信号检测的原理、方法和设备已经成为很多领域中进行现代科学技术研究不可缺少的手段。
显然,对微弱信号检测理论的研究,探索新的微弱信号检测方法,研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一大热点。
1.4微弱信号检测的原理
微弱信号检测技术就是研究噪声与信号的不同特性,根据噪声与信号的这些特性,拟定检测方法,达到从噪声中检测信号的目的。
微弱信号检测的关键在于抑制噪声,恢复、增强和提取有用信号,即提高其信噪改善比(SNIR)。
根据式
(1)
信噪改善比(SNIR)定义:
SINR=
=
(1)
即输出信噪比(S/N)o与输入信噪比(S/N)i之比。
SNIR越大,表示处理噪声的能力越强,检测的水平越高。
从信号处理系统的信噪改善比,可简单地论述微弱信号检测的原理,下面用一例子来讨论SNIR的表达式。
如果噪声在很宽的频率范围内具有恒定的功率谱密度,则称这种噪声为白噪声。
所谓谱密度即单位带宽的噪声,若已知噪声功率谱密度,则噪声功率可表示为:
Pn=
=
。
等效噪声宽带
=
,其中
为放大器输入端到输出端的传递函数。
如图1所示,设某系统的输入噪声为白噪声(电阻噪声),其信号处理系统的输入信号电压和输出信号电压分别为Vsi和Vni,输入噪声电压和输出噪声电压分别为Vso和Vno,
图1推导GNIR的示意图
输入噪声为带宽白噪声,其噪声带宽Bi,噪声功率谱密度为Sni,则输入噪声的均方值为
=
。
若系统的电压增益为Kv(f),系统的噪声等效宽带为
,则输出噪声的均方值为:
(2)
式中,
,显然可得到系统的SNIR为:
SNIR=
(3)
由式(3)可得:
信号处理系统的信噪改善比等于输入(白)噪声带宽与系统的噪声等效带宽之比,减少系统的噪声等效宽带就可以提高系统的输出信噪比。
对于信噪比小于1的被噪声淹没的信号,只要信号处理系统的噪声等效带宽做得很小,就可以将信号从噪声中提取出来,这就是通常的微弱信号检测技术的指导思想之一[2-3]。
第2章相关检测法
信号与噪声有本质区别。
前者是有规律的,能够重复,其后续信号与早先信号是有关联的,信号可以用一个确定的时问函数来描述;而后者恰恰相反,不能用一个确定的时间函数来描述。
因此,可利用信号自身存在的规律(即相关胜)来寻找信号,也可以利用—个与被测信号规律性(二者之间也有相关性)部分相同的已知信号来寻找被测信号,达到去除噪声的目的,这就是相关性原理的基本点。
相关检测技术就是根据相关性原理,通过自相关或互相关运算,以最大限度地压缩带宽、抑制噪声,达到检测微弱信号的一种技术。
信号在时间上相关,噪声在时间上不相关。
这两种不同的相关特性,可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来,这是微弱信号检测的一种有效方法。
根据相关函数的性质,可以利用乘法器,延时器及积分器进行相关运算,从而将周期信号从噪声中检测出来,这就是所谓的“相关检测”。
相关检测可分为自相关检测与互相关检测[4]。
2.1自相关检测
自相关函数表示随机变量f(t)与延时了时间间隔为
的同一变量的相关性。
若t为时间自变量,则其满足关系式:
(4)
式(4)实现自相关检测的原理,如图2所示。
积分器
乘法器
延时器D
图2自相关检测原理图
通过积分器输出得到:
(5)
Rsn(τ)、Rns(τ)分别表示信号和噪声的互相关函数,由于信号与噪声不相关,故几乎为零;而Rnn(τ)代表噪声的自相关函数,随着积分时间的适当延长,Rnn(τ)也很快趋于零;因此,经过不太长的时间积分,积分器之输出中只会有一项Rss(τ),故:
这样,便可顺利地将淹没在噪声中的信号检测出来。
2.1.1自相关检测的举例
例如,被检测信号为一余弦信号时,设:
,则
。
相应的自相关检测输出波形如图3所示:
图3输出波形图
Rss(τ)为信号的自相关函数,它与信号同频的余弦函数,Rnn(τ)为噪声的自相关函数,随τ的增加,衰减得很快,Rxx(τ)为输出端最初的波形,仍混有噪声的干扰。
2.2互相关检测
互相关函数指两个不同的随机变量之间的统计依赖型。
两个有同一自变量的函数f(t)和F(t)是可能存在着关联的,无论这两个函数是随机函数还是非随机函数。
描述其关联性,都可用互相关函数,定义为:
(6)
当互相关函数不为零,则表示和两函数有一定的统计相关性;若互相关函数为零,则表示两者是独立无关。
实现互相关检测的原理框图如图4所示。
与自相关检测
相比,互相关检测的抗干扰性能更好。
若发送信号的重复周期或频率已知,就可在接收端发出一重复周期与信号相同的“干净的”本地信号,将本地信号与混有噪声的输入信号进行互相关。
积分器
乘法器
y(t)
延时器
图4互相关检测原理图
设输入信号为:
(7)
其中,S(t)为待测信号,n(t)为信号s(t)中混入的噪声,y(t)为已知参考信号。
若y(t)与信号s(t)有相关性,而与噪声n(t)无相关性,输入经延时、相乘、积分及平均运算后,得到相关输出
为:
(8)
(9)
由于参考信号y(t)与信号s(t)有某种相关性,而与噪声n(t)无相关性,且噪声的平均值为0,则有
,即:
。
显然
中包含了信号所携带的信号,即可把待测的信号检测出来了。
2.2.1互相关检测的特点
由上可知互相关检测有如下特点:
⑴、比自相关输出的噪声有关项要少2项,故互相关检测比自相关检测抑制噪声的能力强,并有一定的互相关增益。
故抑制噪声的能力优于自相关。
⑵、互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号y(t),当被测信号Si(t)未知时,要取得与Si(t)同频率的信号在某些情况下是困难的。
要做大量试验工作,才能确定,这时一般不采用互相关检测。
第3章锁相放大器微弱信号检测
常规的微弱信号检测方法根据信号本身的特点不同,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;二是研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件(如锁相放大器);三是利用微弱信号检测技术,通过各种手段提取信号,锁相放大器由于具有中心频率稳定,通频带窄,品质因数高等优点得到广泛应用。
常用的模拟锁相放大器虽然速度快,但是参数稳定性和灵活性差,而且在与微处理器通信时需要转换电路;传统数字锁相放大器一般使用高速APDC对信号进行高速采样,然后使用比较复杂的算法进行锁相运算,这对微处理器的速度要求很高。
现在提出的新型锁相检测电路是模拟和数字处理方法的有机结合,这种电路将待测信号和参考信号相乘的结果通过高精度型APDC采样,采样率不高,因此对处理器的运算能力和速度要求不高,算法和电路更加简单。
3.1锁相放大器介绍及应用
锁相放大器LIA(lock-inamplifier,简称LIA)要解决的就是如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。
LIA就是利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪。
它是一种对检测信号与参考信号进行运算的电子设备。
在测量中,噪声是一种不希望的扰乱信号,它是限制和影响测量仪器的灵敏度的白噪声和1/f噪声的低频噪声。
这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的,为了减少噪声对有利信号的影响,常有窄带滤波器虑除带外噪声,以提高信号的信噪比。
但是,由于一般的滤波器的中心频率不稳定,而且宽带和中心频率以及滤波器的Q值有关等原因,使它不满足更高的滤除噪声的要求。
根据相关原理,通过乘法器和积分器串联,进行相关运算,除去噪声干扰,实现相敏检波,LIA采用互相关接受技术使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。
目前国内外生产的锁相放大器的等效噪声宽带
在
Hz数量级,少数的可以达到
,信号宽带
,可见仪器具有非常窄的信号和噪声宽带,通常带通滤波器由于Q值的定义,常规滤波器很难达到性能要求。
而LIA被测信号和参考信号是同步的,它不存在频率稳定性问题,所以可以把它看成一个“跟踪滤波器”。
它的等效Q值由低通滤波器的积分时间常数决定,所以对元件和环境的要求不高。
研究表明,锁相放大器使信噪比提高一万对倍即信噪比提高了80dB以上、。
这足以表明,采用相关技术设计的锁相放大器具有很强的抑制噪声的能力。
3.2锁相放大器的原理
锁相放大器属于利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪,是对被测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。
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。
为了大幅度提高检测下限和测量灵敏度,不仅要减少测量系统的噪声,而且要能从噪声中提出信号,采用新的思路,进行相干检测,其基本思想如下:
1、首先使测量系统的主要部分避开噪声功率密度大的地方,从而使输入噪声较小。
已知在低频区,闪烁噪声可比白噪声高出数倍、数十倍、甚至数百倍,因此要使信号不失真的从低频区移出。
2、对不同的频率信号,因设法将其移频至固定中心频率,这样就可以使用固定中心频率,故定频带的BPF。
3、从信号与噪声的特征对比可以看出,信号与多数噪声有频率和相位两个方面的不同,BPF只是利用频率特征的识别,因此如果在利用相位特征的识别,将可把同频率不同相位的噪声大量排出。
把上述三种设想加以实施,而完成频域信号相干检测的系统称为锁相放大器,其原理框图如图5所示。
图5锁相放大器原理框图
如图5所示锁相放大器主要由信号通道、参考通道、相敏检波电路(相关器:
包括乘法器和积分器)组成。
其各部分说明如下:
信号通道位于相关器之前,由输入放大器、低噪声前置放大器、各种有源滤波器和放大器组成。
作用是放大弱信号到足以推动相关器工作的电平,并兼有抑制和滤除部分噪声和干扰的功能,扩大仪器的动态范围。
信号通道对输入的幅度调制正弦信号进行交流放大、滤波等处理。
由于被测信号微弱,要求前置放大器必须具备低噪声、高增益的特点。
其前置放大器最佳信号源电阻必须能够与不同传感器进行噪声匹配以得到最佳噪声特性。
带通滤波器通常是由低通滤波器和高通滤波器组合而成的,中心频率为载波频率,但带宽不能太窄,以防各种频率漂移因素引起信号的频谱偏离带通滤波器的通频带。
为抑制50 Hz的工频干扰,在信号通道中还常常设有中心频率为50 Hz的陷波器。
参考通道由触发电路、倍频电路、相移电路、方波产生和驱动电路等组成,功能是为相敏检波器提供一个与输入信号同相方波或正弦波。
参考信号可是与载波频率相同的任意波形的周期信号,由整形电路将其变换成方波或正波。
为了防止正弦波幅度的漂移影响锁定放大器的输出,最好变换成方波。
移相器用于保证参考通道的输出与信号通道的输出相位相同,以提高信噪比。
其作用是输出和输入信号同步的、占空比为1:
1的、具有一定幅度的对称方波,以驱动相关器。
相关器是锁相放大器的关键部件,包括乘法器(相敏检测器,PSD)和积分器(低通滤波器,LPF)2部分,最终完成被测信号与参考信号互相关函数运算。
必须具有动态范围大、漂移小、时间常数可调、增益稳定和频率范围宽等特点。
要求输入信号为正弦波或方波,如果被测信号是直流信号,则可用斩波器先将它转换为交流方波再进行转换检测[5]。
3.3锁相放大器特点
锁相放大器的特点有:
用调制器将直流或渐变信号调制,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。
3.4系统中相关器的分析
相敏检波器的作用是对信号通道的输出与参考通道的输出完成乘法运算,从而得到两信号的和频与差频信号。
输入信号:
(10)
参考信号:
(11)
由式(10)、(11):
(12)
低通滤波器的作用是滤除和频信号而保留差频信号。
其带宽可以很窄,从而有效地提高信噪比,而其稳定性与带通滤波器相比又可很高,从而能保证测量精度。
其原理图与特性如图6:
图6低通滤波器及特性
直流放大器是锁定放大器的一个重要部分。
其主要的功能是将积分器输出的直流或缓变信号放大,使其满足后续数据采集系统对信号的要求。
直流放大器的主要问题是零漂的影响,考虑到前级相关器的输出可能很小,因此应选择低漂移的运算放大器作为直流放大器的前置级,同时要有尽量小的1/f噪声[6]。
3.5锁相放大器的局限性
模拟锁相放大器虽经历了多次重大改进及改善,如结果显示数值化等在科学研究中得到了广泛的应用。
但基本电路形式基本没有新的改进,即采用乘法器和低通滤波器(积分器)组成的互相关运算,用模拟电路实现。
基于相关运算的模拟锁相放大器,当积分时间无限长时,噪声可以完全抑制,从而利用模拟锁相放大器可以准确测得微弱正弦信号或周期信号的参数。
但实际上由于受到电容漏电的影响,积分时间不是很长,检测缓变周期信号的效果变差,同时在测量nV级电压时,乘法器输出电压小,后接的直流放大器零点漂移严重,妨碍了对nV级信号的准确测量。
模拟乘法器或开关门是模拟器件,其线性决定了相关运算的精度,但其线性很难保证,容易饱和,线性范围小,温漂大使得系统受到很大限制。
高精度的乘法器或开关门结构复杂,实现困难。
系统中的积分器为RC积分器,是近似积分器,精度不高,积分时间的改变靠改变RC参数,在实际应用中需要根据信号的特点改变积分时间久很困难或系统设定的参数不适合测量的要求,模拟系统里面有很多滤波器,其性能都受到模拟器件性能的影响,进而影响整个系统的性能。
这些问题都是模拟系统很难克服的。
所以还需要一些技术来改进,以到达克服或优化模拟锁相放大器一些缺点的目的。
第4章取样积分法
取样积分器是一种微弱信号检测系统。
原理上利用周期性信号的重复特性,在每个周期内对信号的一部分取样一次,然后经过积分器算出平均值,于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。
信号提取(取样)是经过多次重复的,而噪声多次重复的统计平均值为零,所以可大大提高信噪比,再现被噪声淹没的信号波形[7]。
4.1取样积分器的工作原理
一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器。
通常采用取样脉冲控制RC积分器来实现,使在取样时间内被取样的波形作同步积累,并将所积累的结果(输出)保持到下一次取样。
门积分器不同于一般的积分器,它仅在取样时间内进行积分,其余时间积分结果处于保持状态。
根据实现电路的不同,可分为线性门积分器和指数式门积分器两种。
图7为线性门积分器电路,图中x(t)为被测信号,它包含周期为T的有用信号s(t)和随机噪声n(t)。
r(t)是与s(t)同频的参考信号,甚至可以是被测信号本身。
r(t)经延时后送入触发电路,产生宽度为Tg的取样脉冲。
在r(t)的每个周期内开关K只在Tg时段闭合。
K闭合时x(t)经缓冲放大后通过电阻R对积分电容C充电,只要输入电压不变,充电电流也不变;K断关时,C两端电压保持不变。
图7线性门积分器电路及其阶跃响应
由图7:
(13)
(电压恒定,初始电压为零)(14)
若x(t)为阶跃信号,且t = 0时
= 0,可绘出
随时间的变化曲线如图(b)中折线②所示。
图(b)中直线①是K常闭时的响应,相当于普通线性积分器的阶跃响应。
如果K常闭时
积分到等于输入电压所需时间为
,则在取样脉冲作用下所需时间约为
,也就是说等效时间常数为普通线性积分器的
倍。
线性门积分电路的输出幅度受到运算放大器线性工作范围的限制,比较适用于信号幅度较小场合。
如果信号幅度较大,为数不多的若干次取样积分就有可能使运算放大器进入非线性区,导致测量误差,在这种情况下只能使用指数式门积分器。
图8(a)为指数式门积分器电路,与线性门积分器的区别是,即使输入电压不变,充电电流也会随着电容上电压的增加而逐渐减小,输出电压则按指数规律增加。
若x(t)为阶跃信号,且t = 0时
= 0,则
随时间的变化曲线如图(b)中曲线②所示。
图(b)中曲线①是当K常闭时的响应,相当于普通指数式积分器的阶跃响应
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