发表于2024-08-18
本书所讲述的微弱信号检测是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号的一门新兴的技术学科。
第1章
微弱信号检测与随机噪声
1.1微弱信号检测概述
第1章微弱信号检测与随机噪声
1.1微弱信号检测概述
“微弱信号”不仅意味着信号的幅度很小,而且主要指的是被噪声淹没的信号,“微弱”是相对于噪声而言的。为了检测被背景噪声覆盖着的微弱信号,人们进行了长期的研究工作,分析噪声产生的原因和规律,研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性,以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法。
微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比,这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法,以便从强噪声中检测出有用的微弱信号,从而满足现代科学研究和技术开发的需要。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术,它注重的不是传感器的物理模型和传感原理,也不是相应的信号转换电路和仪表实现方法,而是如何抑制噪声和提高信噪比,因此可以说,微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。
对于各种微弱的被测量,例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动、微温差等,一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压,再经放大器放大其幅度,以期指示被测量的大小。但是,由于被测量的信号微弱,传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往要比有用信号的幅度大得多,放大被测信号的过程同时也放大了噪声,而且必然还会附加一些额外的噪声,例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰噪声,因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度,才能提取出有用信号。为了达到这样的目的,必须研究微弱信号检测的理论、方法和设备。
为了表征噪声对信号的覆盖程度,人们引入了信噪比(signal�瞡oise ratio,简记为SNR)的概念,信噪比指的是信号S与噪声N之比,即
SNR=S/N(1��1)
信噪比可以是电压或电流的有效值比值,一般表示为SNRV或SNRI; 也可以是功率比值,一般表示为SNRP。微弱信号检测的关键是提高信噪比。评价一种微弱信号检测方法的优劣,经常采用两种指标: 一种是信噪改善比SNIR(signal noise improvement ratio),另一种是有效的检测分辨率。SNIR定义为
SNIR=SNRoSNRi(1��2)
式中,SNRo是系统输出端的信噪比,SNRi是系统输入端的信噪比。SNIR越大,表明系统抑制噪声的能力越强。因为SNRV和SNRp之间为平方关系,相应的SNIR之间也是平方关系。所以,在述及信噪比或信噪改善比时,必须说明是哪一种。
微弱信号检测的另一种指标是检测分辨率,它的定义是检测仪器示值可以响应与分辨的输入量的最小变化值。检测分辨率不同于检测灵敏度,后者定义为输出变化量Δy与引起Δy 的输入变化量Δx之比,即灵敏度等于Δy/Δx。也就是说,灵敏度表示的是检测系统标定曲线的斜率。一般情况下,灵敏度越高,分辨率越好。但是,提高系统的放大倍数可以提高灵敏度,但却不一定能提高分辨率,因为分辨率要受噪声和检测误差的制约。
表1��1对比了常规检测方法与微弱信号检测方法所能达到的最高分辨率和SNIR(有效值),表中最后一行是专门从事微弱信号检测仪器生产的吉时利(Keithley)公司的产品近年能够达到的指标。从这些指标中可以看出微弱信号检测技术发展的大致水平。
表1��1检测的最高分辨率
检测量
电压/nV电流/nA温度/K电容/pF微量分析/克分子SNIRV
常规检测方法1030.110-40.110-510
微弱信号检测方法0.110-55×10-710-510-8105
吉时利公司10-310-810-6
抑制噪声以提高信噪比的研究工作由来已久,可以说从电子器件和电子学诞生的年代开始,人们一直在探索抑制噪声的技术。自从1962年第一台锁相放大器问世的四十多年来,经过很多科学工作者的不懈努力,微弱信号检测技术得到了长足的发展,信噪改善比SNIR得到不断提高。到20世纪80年代末,微弱信号检测的SNIRV可达105,近年在一些专门检测领域(例如微弱电流)SNIRV已能达到107,从而推动了物理、化学、电化学、天文、生物、医学等学科的发展。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研究不可缺少的理论和手段,而未来科技的发展也必将对微弱信号检测技术提出更高的要求。
1.2常规小信号检测方法
1.2常规小信号检测方法
与微弱信号相比,小信号的信噪比要高得多,其检测技术也要成熟得多。但是,就提高信噪比,从而检测出被噪声污染的有用信号这一点来看,小信号检测与微弱信号检测具有一定的共同之处。经过多年的研究和实践,人们已经掌握了一些行之有效的小信号检测方法,其中的一些方法还被成功地应用到检测仪器仪表产品之中。了解这些小信号检测的成熟手段和方法,对于微弱信号检测具有一定的参考价值。
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