發表於2024-12-23
本書所講述的微弱信號檢測是利用近代電子學和信號處理方法從噪聲中提取有用信號的一門新興的技術學科。
第1章
微弱信號檢測與隨機噪聲
1.1微弱信號檢測概述
第1章微弱信號檢測與隨機噪聲
1.1微弱信號檢測概述
“微弱信號”不僅意味著信號的幅度很小,而且主要指的是被噪聲淹沒的信號,“微弱”是相對於噪聲而言的。為瞭檢測被背景噪聲覆蓋著的微弱信號,人們進行瞭長期的研究工作,分析噪聲産生的原因和規律,研究被測信號的特點、相關性以及噪聲的統計特性,以尋找齣從背景噪聲中檢測齣有用信號的方法。
微弱信號檢測技術的首要任務是提高信噪比,這就需要采用電子學、信息論、計算機和物理學的方法,以便從強噪聲中檢測齣有用的微弱信號,從而滿足現代科學研究和技術開發的需要。微弱信號檢測技術不同於一般的檢測技術,它注重的不是傳感器的物理模型和傳感原理,也不是相應的信號轉換電路和儀錶實現方法,而是如何抑製噪聲和提高信噪比,因此可以說,微弱信號檢測是一門專門抑製噪聲的技術。
對於各種微弱的被測量,例如弱光、弱磁、弱聲、小位移、小電容、微流量、微壓力、微振動、微溫差等,一般都是通過相應的傳感器將其轉換為微電流或低電壓,再經放大器放大其幅度,以期指示被測量的大小。但是,由於被測量的信號微弱,傳感器的本底噪聲、放大電路及測量儀器的固有噪聲以及外界的乾擾噪聲往往要比有用信號的幅度大得多,放大被測信號的過程同時也放大瞭噪聲,而且必然還會附加一些額外的噪聲,例如放大器的內部固有噪聲和各種外部乾擾噪聲,因此隻靠放大是不能把微弱信號檢測齣來的。隻有在有效地抑製噪聲的條件下增大微弱信號的幅度,纔能提取齣有用信號。為瞭達到這樣的目的,必須研究微弱信號檢測的理論、方法和設備。
為瞭錶徵噪聲對信號的覆蓋程度,人們引入瞭信噪比(signal�瞡oise ratio,簡記為SNR)的概念,信噪比指的是信號S與噪聲N之比,即
SNR=S/N(1��1)
信噪比可以是電壓或電流的有效值比值,一般錶示為SNRV或SNRI; 也可以是功率比值,一般錶示為SNRP。微弱信號檢測的關鍵是提高信噪比。評價一種微弱信號檢測方法的優劣,經常采用兩種指標: 一種是信噪改善比SNIR(signal noise improvement ratio),另一種是有效的檢測分辨率。SNIR定義為
SNIR=SNRoSNRi(1��2)
式中,SNRo是係統輸齣端的信噪比,SNRi是係統輸入端的信噪比。SNIR越大,錶明係統抑製噪聲的能力越強。因為SNRV和SNRp之間為平方關係,相應的SNIR之間也是平方關係。所以,在述及信噪比或信噪改善比時,必須說明是哪一種。
微弱信號檢測的另一種指標是檢測分辨率,它的定義是檢測儀器示值可以響應與分辨的輸入量的最小變化值。檢測分辨率不同於檢測靈敏度,後者定義為輸齣變化量Δy與引起Δy 的輸入變化量Δx之比,即靈敏度等於Δy/Δx。也就是說,靈敏度錶示的是檢測係統標定麯綫的斜率。一般情況下,靈敏度越高,分辨率越好。但是,提高係統的放大倍數可以提高靈敏度,但卻不一定能提高分辨率,因為分辨率要受噪聲和檢測誤差的製約。
錶1��1對比瞭常規檢測方法與微弱信號檢測方法所能達到的最高分辨率和SNIR(有效值),錶中最後一行是專門從事微弱信號檢測儀器生産的吉時利(Keithley)公司的産品近年能夠達到的指標。從這些指標中可以看齣微弱信號檢測技術發展的大緻水平。
錶1��1檢測的最高分辨率
檢測量
電壓/nV電流/nA溫度/K電容/pF微量分析/剋分子SNIRV
常規檢測方法1030.110-40.110-510
微弱信號檢測方法0.110-55×10-710-510-8105
吉時利公司10-310-810-6
抑製噪聲以提高信噪比的研究工作由來已久,可以說從電子器件和電子學誕生的年代開始,人們一直在探索抑製噪聲的技術。自從1962年第一颱鎖相放大器問世的四十多年來,經過很多科學工作者的不懈努力,微弱信號檢測技術得到瞭長足的發展,信噪改善比SNIR得到不斷提高。到20世紀80年代末,微弱信號檢測的SNIRV可達105,近年在一些專門檢測領域(例如微弱電流)SNIRV已能達到107,從而推動瞭物理、化學、電化學、天文、生物、醫學等學科的發展。目前,微弱信號檢測的原理、方法和設備已經成為很多領域中進行現代科學研究不可缺少的理論和手段,而未來科技的發展也必將對微弱信號檢測技術提齣更高的要求。
1.2常規小信號檢測方法
1.2常規小信號檢測方法
與微弱信號相比,小信號的信噪比要高得多,其檢測技術也要成熟得多。但是,就提高信噪比,從而檢測齣被噪聲汙染的有用信號這一點來看,小信號檢測與微弱信號檢測具有一定的共同之處。經過多年的研究和實踐,人們已經掌握瞭一些行之有效的小信號檢測方法,其中的一些方法還被成功地應用到檢測儀器儀錶産品之中。瞭解這些小信號檢測的成熟手段和方法,對於微弱信號檢測具有一定的參考價值。
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