微弱信号相关检测

微弱信号相关检测

前言

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.概述

微弱信号是测量技术中的一个综合性技术分支，它利用电子学，信息论和物理论的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检测并恢复被背景噪声所掩盖的微弱信号，微弱信号的检测重点是如何从强噪声中提取有用信号，探测运用新技术和新方法来提高检测系统中的信噪比。

在检测淹没在背景噪声中的微弱信号时，必须对信号进行放大，然而由于微弱信号本身的涨落，背景和放大器噪声的影响，测量灵敏度会受到限制。因此，微弱信号的检测有以下三个特点：（1）需要噪声系数尽量小的前置放大器，并根据源阻抗与工作频率设计最佳匹配（2）需要研制适合微弱信号检测原理并能满

足特殊需要的器件（3）利用电子论和信息学的方法，研究噪声的成因和规律，分析信号的特点和想干关系。

微弱信号检测目前在检测理论方面重点研究的内容有：(1)噪声理论和模型及噪声的克服途径；(2)应用功率谱方法解决单次信号的捕获；(3)少量积累平均，极大改善信噪比的方法；(4) 快速瞬变的处理；(5)对低占空比信号的再现；(6)测量时间的减少及随机信号的平均；(7)改善传感器的噪声特性；(8)模拟锁相量化与数字平均技术结合。常规的微弱信号检测方法主要包括时域的相关方法、取样积分方法和频域的谱分析方法等。然而，这些方法都有一定的局限性，主要表现在所能检测到的微弱信号的信噪比门限值较高。近年来，随着对非线性系统研究的不断深入，提出了诸如谐波小波、混沌、随机共振等新的理论和方法，为微弱信号检测开创了新的思路。

2.微弱信号检测的不同原理与应用

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、增输出信噪比(S／N)。与输入信噪比(S ／N)。之比。SNIR越大，表示处理噪声的能力越强，检测的水平越高。

2.1锁相放大器频谱迁移法检测微弱信号

锁相放大器频谱迁移法…抑制噪声的原理是：用调制器将支流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处，再进行放大，以避开l／f噪声的不利影响。利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率0和相角进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低。用低通滤波器来抑制宽带噪声。低通滤波器的带宽可以做得很窄。调制过程将低频信号Vs乘以频率为60O的正弦载波，从而将其频谱迁移到调制频率0的两边，之后进行选频放大，这样就不会把1／f噪声和低频漂移也放大了，经交流放大后，再用相敏检波器(PSD)将其频谱迁移到直流(to=0)的两边，用窄带低通滤波器(LPF)滤除噪声，就得到高信噪比的放大信号，只要LPF的带宽足够窄，就能够有效改善信噪比。锁相放大器对信号频谱进行迁移的过程锁相放大器具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等优点，因而得到广泛应用。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还需要转换电路。传统数字锁相放大器一般使用

高速A／DC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，运算量很大，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，它将待测信号和参考信号先相乘，其结果再通过高精度型A／DC采样，然后再作处理，运算量较前者降低，因此降低了对处理器的运算能力和速度的要求，算法和电路更加简单。锁相放大器已被广泛应用到物理、化学、天文、电子技术、通信、生物医学等研究领域中。

2．2 微弱振动信号的谐波小波频域提取

小波变换其概念是在1984年由法国地球物理学家J．MorLet正式提出的。Mallat于1987年将计算机视觉领域内的多分辨率分析思想引入到小波分析中，提出了多分辨率的概念，并提出了相应的分解和重构算法。研究表明，小波分析可以成功地进行非平稳信号、带有强噪声的信号等的分析与检测。但是，常用的基于二进的小波具有明显的局限性，而且在频域具有明显的移相特性。常用的某些二进小波不具有明显的表达式，只能给出滤波器系数的数值，不便于信号的细节分析和频域分析。1993年，Newland提出的谐波小波在信号分解过程中可保持数据信息量不变，算法实现简单，且具有明确的表达式。同时，谐波小波还具有相位定位特性。谐波小波的这些优点使其在信号处理中得到应用。在谐波小波分解的基础上对微弱振动信号进行频域频段提取，并与“二进”特性的小波提取结果进行对比，提取所关心频段的数据点，并重构信号。谐波小波具有的优良的信号频域识别能力已成为分析电力系统非平稳谐波畸变、机械振动、雷达回波信号和电视图像的有力工具。

2.3 基于噪声和混沌振子的微弱信号检测

传统的信号检测方法是采用线性滤波的方法来提取信号，在背景噪声较强的情况下，此方法一般会失效。而在机械工程、自动化、通讯和电子对抗等领域，常常需要判断特定规律的微弱信号是否存在。因此，一项迫切的任务是寻找新的检测方法。混沌态是某些非线性系统所特有的一种运动状态。虽然混沌运动具有随机性，但描述其运动的方程是确定的，如著名的Duffing方程、Lorenz方程和V_andDul方程等，其q~Duffing方程是非线性系统中研究得比较充分的数学模型。

由混沌理论可知：一类混沌系统在一定条件下对小信号具有敏感性的同时对

噪声具有免疫力，因此使得它在信号检测中非常具有潜力。由非线性理论可知：对于一个非线性系统，当其敏感参数在一定范围存在摄动时．将引起其周期解发生本质变化。由此可利用非线性系统的周期解所发生的本质变化来检测微弱信号。采用Duffing振子作为非线性系统来检测微弱信号，让Dufting振子处于混沌和周期解之间的临界状态，将待测信号作为Duffing振子周期策动力的摄动，通过Duffing振子对噪声和目标信号的不同反应来检测目标信号。当待测信号经过Duffing振子时，噪声虽然强烈，但对系统状态的改变无影响。而对于特定的目标信号，即使其幅度较小，也会使系统发生大幅度周期相变通过辨识系统状态，可以清楚地检测出特定信号是否存在。混沌理论的应用探索研究已逐渐深入自动化、保密通信、电子对抗、油气勘探、医学和生态学等许多领域，特别是近年来混沌振子在弱信号检测中的应用发展较快，已成为当代非线性科学研究中的一个热门课题。

2．4 随机共振理论微弱信号检测方法

随机共振现象可以在诸如单稳体系、可激发体系和无阀值体系等多种体系中发生。在物理、化学和生物等科学领域中系统都曾观察到随机共振现象。随机共振作用一直吸引着科学家的兴趣，尤其在系统模型的选择和信号的检测方面，情况更是如此。随机共振即非线性体系在噪声的协助下无序的微弱信号能够向有序方向转化的过程。但其实现必须具备三个前提条件，即：具有分隔不同稳定点的势垒、输入的弱信号和噪声。如果具备了这三个条件并且达到匹配时，则系统的响应和噪声强度相关联，可以把系统对弱信号的响应看作噪声强度的函数。

随机共振为强噪声背景下的弱信号检测与处理提供了一条新的途径，可以预期，随机共振在信号处理、机械故障诊断，特别是信号检测领域将发挥更大的作用。

2．5 测量的理论极限与各种源电阻的关系

测量灵敏度的理论取决于在电路中的电阻所产生的噪声。电压噪声是与电阻、带宽和绝对温度乘积的平方根成正比的。由金属电阻产生的噪声电压可以用下述公式：V= 4KTBR。其中：在源电阻上产生的噪声电压有效值= 波尔兹曼常数，1．38×10。焦耳／r_ 以开尔文为单位的源的绝对温度；=以赫兹为单位的噪声带宽；以欧姆为单位的源电阻。

2.6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。

3实践进展选例

(1)利用锁相放大技术进行视频微弱信号提取是指将窄带低频信号或者通过激励方式转化成在低频基带上调幅信号的直流、缓变微弱信号进行前置放大后，经频谱搬移和低通滤波获取信号真实值的一种信号提取方法。该方法能克服工频干扰的影响；避开1／f低频噪声；避免直流放大器的温度、零点漂移：抑制噪声，极大地提高信噪比。因此该技术在等离子腐蚀监测、光纤瓦斯传感器、车辆温度测试、扫描电子显微镜、生物医学信号等领域获得了广泛的应用。

(2)将信号稀疏分解思想应用于通信、雷达、声纳等领域的信号检测。信号稀疏分解采用MP (MatchingPursuit)算法实现。原子采用正弦波模型，通过对正弦波模型伸缩和平移形成过完备原子库。由MP分解结果，可检测出淹没在强噪声环境中的微弱正弦信号的幅度、频率和初相位参数，从而恢复为待检测的微弱正弦信号。此方法在一40dB极低信噪比环境下可以同时检测多个正弦信号。

(3)自相关方法与混沌相结合检测正弦信号，比只采用混沌系统检测正弦信号时的信噪比工作门限又降低了20dB；用于检测微弱信号时，输出信噪比门限的确很低。

(4)强噪声背景中未知微弱信号的一种简便检测方法：针对实际应用中的未知微弱信号的检测，特别是完全被噪声淹没情况下微弱信号的检测问题，根据白噪声零均值的特性，利用将信号按时问分段后延时累加的方法和白噪声信号在任一时间t均值为零这一特性，将强噪声信号分断延时，到某一时刻累加，由此时刻所得的随机变量的均值是否为零来判断t时刻以前的信号中是否含有有用信号。利用这种检测方法可以在未知微弱信号波形的情况下，对强噪声背景中的微

弱信号进行有效的检测。

(5)在低频通信系统中应用数字式平均法可以有效地提高接收端的信噪比。线性累加平均算法、归一化平均算法和指数平均算法在低信噪比时，都能显著地提高信噪比，但是线性累加平均算法在数据量较大时，容易过载，所以在实际应用中大部分采用的是后两种方法。

(6)微弱信号检测的理论和方法研究，已经形成了基于线性系统和平稳噪声的条件的最佳检测理论和方法，提高了信息传输和提取的有效性、可靠性。对于一些实际系统要根据具体的信号和噪声统计特性，参照最佳检测原则，寻找适当的检测方法。例如射电望远镜和微波遥感器所用的微波辐射计，就是根据检测目标是以类似噪声形式表现的辐射信号，通过消除系统增益波动而造成的干扰，再降低系统本身的干扰噪声，才达到了能检测出极微弱信号的能力，成为当今检测灵敏度最高的仪器。

随着近年来虚拟仪器和电子器件的发展，有望利用谐波小波、混沌振子、随机共振和其它新的研究成果来指导检测微弱信号，从而降低设备成本，简化方法，使得微弱信号检测技术具有广阔的应用前景。相对于理论发展而言，国内在有关仪器的研制和商品化方面相对薄弱，特别是高端的弱信号检测仪器几乎全部被以美国Keithley等公司为代表的美欧产品所占据，为改变这种状况，我国的有关科研生产单位可谓任重而道远。

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微弱光信号检测电路的设计

Electronic Component & Device Applications 0引言 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生 的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术来对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。其原理是通过光电探测器件将光学信息量变换成电信号，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，本文应用光电检测技术来检测微弱光信号。该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有精度高、稳定性好等优点。 1电路基本原理 用光电二极管组成的光电检测电路，实际上 是一个光→电流→电压的变换器。首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号。其基本电路如图1所示。 假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为U 0=I P R 。理论上，系统的输出电压U 0的值与输入电流I P 成线性关系，灵敏度由反馈电阻R 确定。而实际应用中，由于要受到运放失调电压V od 与偏置电流I b 的影响，其输出电压总要产生误差。误差电压一般为： U e =V od (1+R /R d )+I b R 其中R d 为光电二极管的结电阻。由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差较小。因此，选择运放时，应选择性能参数都符合要求的运放。本设计选择 AD795KN 作为前置放大器。 2检测电路设计 光电二极管所接收到的信号一般都非常微 弱，而且输出的信号往往被深埋在噪声之中。因此，对这样的微弱信号一般都要先进行放大、滤波，然后通过模数转换将信号传输给后续处理器电路。 本检测系统由光电二极管、前置放大电路、滤波电路、主放大电路、A/D 转换电路，MCU 控制和信号处理电路等组成，其结构框图如图2所示。 微弱光信号检测电路的设计 杜习光 （西南大学工程技术学院，重庆 400716） 摘 要：从微弱光信号检测电路的设计方案入手，论述了光电检测电路的基本工作原理，给 出了采用AD795KN 为前置放大器来设计放大电路、有源滤波电路以及主放大电路，最终设计低噪声光电检测电路的一般原则。实验表明，基于本设计的检测电路可以有效测量微弱光信号，适用于一般光信号和微弱光信号的检测需要。关键字： 微弱光信号；光电检测 ；AD795KN ；低噪声

微弱信号检测技术 练习思考题

《微弱信号检测技术》练习题 1、证明下列式子： （1）R xx(τ)=R xx(-τ) （2）∣ R xx(τ)∣≤R xx(0) （3）R xy(-τ)=R yx(τ) （4）| R xy(τ)|≤[R xx(0)R yy(0)] 2、设x(t)是雷达的发射信号，遇目标后返回接收机的微弱信号是αx(t-τo)，其中α?1，τo是信号返回的时间。但实际接收机接收的全信号为y(t)= αx(t-τo)+n(t)。 （1）若x(t)和y(t)是联合平稳随机过程，求Rxy(τ)； （2）在（1）条件下，假设噪声分量n(t)的均值为零且与x(t)独立，求Rxy(τ)。 3、已知某一放大器的噪声模型如图所示，工作频率f o=10KHz，其中E n=1μV，I n=2nA，γ=0，源通过电容C与之耦合。请问：（1）作为低噪声放大器，对源有何要求？（2）为达到低噪声目的，C为多少？ 4、如图所示，其中F1=2dB，K p1=12dB，F2=6dB，K p2=10dB，且K p1、K p2与频率无关，B=3KHz，工作在To=290K，求总噪声系数和总输出噪声功率。 5、已知某一LIA的FS=10nV，满刻度指示为1V，每小时的直流输出电平漂移为5?10-4FS；对白噪声信号和不相干信号的过载电平分别为100FS和1000FS。若不考虑前置BPF的作用，分别求在对上述两种信号情况下的Ds、Do和Di。 6、下图是差分放大器的噪声等效模型，试分析总的输出噪声功率。

7、下图是结型场效应管的噪声等效电路，试分析它的En-In模型。 8、R1和R2为导线电阻，R s为信号源内阻，R G为地线电阻，R i为放大器输入电阻，试分析干扰电压u G在放大器的输入端产生的噪声。 9、如图所示窄带测试系统，工作频率f o=10KHz，放大器噪声模型中的E n=μV，I n=2nA，γ=0，源阻抗中R s=50Ω，C s=5μF。请设法进行噪声匹配。(有多种答案) 10、如图所示为电子开关形式的PSD，当后接RC低通滤波器时，构成了锁定放大器的相关器。K为电子开关，由参考通道输出Vr的方波脉冲控制：若Vr正半周时，K接向A；若Vr 负半周时，K接向B。请说明其相敏检波的工作原理，并画出下列图(b)、(c)和(d)所示的已知Vs和Vr波形条件下的Vo和V d的波形图。

液位传感器常用的检测方法

为了选择最佳的液位传感器，我们不但需要了解被测液体的属性和状态，同时，也要知道不同的检测方式的优点与局限性，从而才能选出最合适的传感器。以下为目前市场上最常见的检测技术。 激光测量：激光类传感器基于光学检测原理，通过物体表面反射光线至接收器进行检测，其光斑较小且集中，易于安装、校准，灵活性好，可应用于散料或液位的连续或者限位报警等;但其不适合应用于透明液体（透明液体容易折射光线，导致光线无法反射至接收器），含泡沫或者蒸汽环境（无法穿透泡沫或者容易受到蒸汽干扰），波动性液体（容易造成误动作），振动环境等。 tdr（时域反射）/ 导波雷达/微波原理测量：其名称在行业内有多种不同的叫法，其具备了激光测量的好处，如：易于安装、校准，灵活性好等，另外其更优于激光检测，如无需重复校准和多功能输出等，其适用于各种含泡沫的液位检测，不受液体颜色影响，甚至可应用于高粘性液体，受外部环境干扰相对小，但其测量高度一般小于6米。 超声波测量：由于其原理为通过检测超声波发送与反射的时间差来计算液位高度，故容易受到超声波传播的能量损耗影响。其亦具备安装容易、灵活性高等特点，通常可安装于高处进行非接触式测量。但当使用于含蒸汽、粉层等环境时，检测距离将会明显缩短，不建议使用在吸波环境，如泡沫等。 音叉振动测量：音叉式测量仅为开关量输出，不能用于连续性监控液体高度。其原理为：当液体或者散料填充两个振动叉时，共振频率改变时，依靠检测频率改变而发出开关信号。其可用于高粘度液体或者固体散料的高度监控，主要为防溢报警、低液位报警等，不提供模拟量输出，另外，多数情况下需要开孔安装于容器侧面。 光电折射式测量：该检测方式通过传感器内部发出光源，光源通过透明树脂全反射至传感器接受器，但遇到液面时，部分光线将折射至液体，从而传感器检测全反射回来光量值的减少来监控液面。该检测方式便宜，安装、调试简单，但仅能应用于透明液体，同时只输出开关量信号。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.wendangku.net/doc/0b8293138.html,/

微弱信号检测技术概述

1213225 王聪 微弱信号检测技术概述 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。微弱信号检测的不同方法 ( 1) 生物芯片扫描微弱信号检测方法 微弱信号检测是生物芯片扫描仪的重要组成部分, 也是生物芯片技术前进过程中面临的主要困难之一, 特别是在高精度快速扫描中, 其检测灵敏度及响应速度对整个扫描仪的性能将产生重大影响。 随着生物芯片制造技术的蓬勃发展, 与之相应的信号检测方法也迅速发展起来。根据生物芯片相对激光器及探测器是否移动来对生物芯片进行扫读, 有扫描检测和固定检测之分。扫描检测法是将激光器及共聚焦显微镜固定, 生物芯片置于承片台上并随着承片台在X 方向正反线扫描和r 方向步进向前运动, 通过光电倍增管检测激发荧光并收集数据对芯片进行分析。激光共聚焦生物芯片扫描仪就是这种检测方法的典型应用, 这种检测方法灵敏度高, 缺点是扫描时间较长。 固定检测法是将激光器及探测器固定, 激光束从生物芯片侧向照射, 以此解决固定检测系统的荧光激发问题, 激发所有电泳荧光染料通道, 由CCD捕获荧光信号并成像, 从而完成对生物芯片的扫读。CCD 生物芯片扫描仪即由此原理制成。这种方法制成的扫描仪由于其可移动, 部件少, 可大大减少仪器生产中的失误, 使仪器坚固耐用; 但缺点是分辨率及灵敏度较低。根据生物芯片所使用的标记物不同, 相应的信号检测方法有放射性同位素标记法、生物素标记法、荧光染料标记法等。其中放射性同位素由于会损害研究者身体, 所以这种方法基本已被淘汰; 生物素标记样品分子则多用在尼龙膜作载体的生物芯片上, 因为在尼龙膜上荧光标记信号的信噪比较低, 用生物素标记可提高杂交信号的信噪比。目前使用最多的是荧光标记物, 相应的检测方法也最多、最成熟, 主要有激光共聚焦显微镜、CCD 相机、激光扫描荧光显微镜及光纤传感器等。 ( 2) 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,

光电检测方法研究毕业设计

摘要 随着石油、天然气工业以及煤炭工业的发展，煤矿爆炸事故日益增加。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数以煤为主要能源的国家之一。在煤炭的生产、加工过程中产生的大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易爆气体，带来了煤矿安全、环境污染等一系列的问题。因此，对煤矿生产、加工过程中产生的有害气体进行高灵敏度检测变得十分重要。通信技术的发展使得光源及各种光纤器件性能更加完善。因此，在各种气体传感器中光纤气体传感器受到国内外研究者的广泛关注。光纤气体传感器因其敏感元件与检测电路和信号处理电路实现了完全的电隔离，使系统更加安全可靠。 本文基于差分检测原理，设计了用于气体传感中微弱信号测量的增益可调的便携式双光路光电检测和采集系统。系统采用以AD795 为核心的低噪声、高灵敏度前置放大器，通过有效的抗干扰措施，实现了微弱信号的高精度低噪声检测，并配以具有极强抗噪性能的24bitsΣ－△模数转换芯片AD7794，完成高分辨率的数据采集。通过AVR 单片机控制实现电路增益的自动调节，解决了差分检测中存在的小信号放大，大信号饱和的问题。 关键词：气体传感；光电检测；微弱信号测量；可调增益；数据采集

Abstract Along with the development of oil and natural gas industry,the coal mine exploding accident increased everyday.China is the country with the maximal coal yield and consumption,and also is one of the countries using coal as the most energy sources. Many kinds of inflammable and explosive gases such as methane(CH4)and carbon monoxide(CO)coexisting in the process caused a series of problem like the safety problem and environment pollution and so on.So it is very important to detect more sensitive the harmful gases engendering in the coal mine.

基于PWM调制的微弱信号检测的毕设论文 (本科).

学校代码： 11059 学号： Hefei University 毕业设计（论文）BACH ELOR DISSERTATION 论文题目：基于PWM调制的微弱信号检测 学位类别：工学学士 年级专业： 作者姓名：孙悟空 导师姓名： 完成时间： 2015年5月8号

中文摘要 工程设计领域中在强噪声环境下对微弱信号的检测始终是个技术难点。因此，全面地去研究、分析微弱信号在时域、频域等方面的特点，以及微弱信号的检测技术，都非常重要且有意义的。 本文首先介绍了在电子设备中元器件内部因为载流粒子的运动及外部因素导致系统噪声产生的原理。阐述了在分析研究微弱信号的方法中，时域分析法是目前应用范围最为广泛的分析方法，比如短时Fourier、小波变换。在此基础上，本文从工程设计的角度重点分析了PWM技术检测微弱信号的原理及实现的方法。PWM检测技术是利用PWM脉冲对微弱信号的调制, 从而达到进行频谱搬移。最后，对于调制后的信号，本文中采用带通、全波整形以及低通等三种方式实现了对待调制信号的解调，并在解调端得到最终的解调信号。 在电路仿真方面本文给出了基于Multisim软件的系统电路仿真图。通过搭建各个模块然后利用仿真电路给出了系统调制解调的各个过程及波形图。利用示波器对系统调制、解调等模块的波形检测可以发现各个模块的信号波形与理论波形基本吻合，系统的设计满足对微弱信号检测的要求。 关键词:微弱信号检测；频谱搬移；PWM调制

Abstract The detection of weak signal in the field of engineering design is always a technical difficulty.. Therefore, it is very important and meaningful to study and analyze the characteristics of weak signal in time domain and frequency domain and the detection technology of weak signal.. In this paper, we first introduce the in Zhongyuan electronic equipment device for load flow particle's motion and external factors lead to system noise principle. In the research of weak signal analysis, time-domain analysis is the most widely used method, such as short time Fourier and wavelet transform.. On this basis, the paper analyzes the principle and the method of the weak signal detection from the angle of the engineering design from the point of view of the engineering design.. PWM detection technology is the use of PWM pulse modulation of the weak signal, so as to achieve the frequency shift. Finally, for modulated signals, this paper by band-pass, full wave shaping and low pass in three ways the treated signal modulation and demodulation, and the final demodulation signal at the end of the demodulation. In the circuit simulation, the paper presents the simulation chart of the system circuit based on Multisim.. By building each module and using the simulation circuit, the process and the waveform of the system modulation and demodulation are given.. Using the oscilloscope system modulation and demodulation module of waveform detection can be found that each module of signal waveform and theoretical waveforms are basically consistent, the design of the system meet the requirements of weak signal detection. .Keyword：Weak signal detection ；Frequency shift ；PWM detection

基于微弱光信号检测的光功率计

２０１７年 第７期仪表技术与传感器 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ２０１７ Ｎｏ.７ 收稿日期：２０１６-０９-２２ 基于微弱光信号检测的光功率计 廖平，许伟坚 （中南大学机电工程学院，高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙４１００８３） 摘要：介绍了一种用于微弱光信号检测的光功率计的设计原理和实现方法三该光功率计以ＳＴＭ３２为微控制器，使用ＩｎａＧａＡｓ-ＰＩＮ光电探测器来实现光电转换，利用高速对数转换器ＡＤＬ５３０４芯片实现高精度二宽范围的光电转换三同时采用２４位的模数转换器ＡＤＳ１２４６来实现很高的测量分辨率三实际测试结果表明：该功率计测量精度高，稳定性好，其检测下限达到-９０ｄＢｍ，可以检测光电流为ｐＡ级别的微弱光信号三 关键词：微弱光信号；ＡＤＬ５３０４对数放大器；ＳＴＭ３２；ＩｎａＧａＡｓ-ＰＩＮ 中图分类号：ＴＨ８９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２-１８４１（２０１７）０７-００３２-０４ＯｐｔｉｃａｌＰｏｗｅｒＭｅｔｅｒＤｅｓｉｇｎＢａｓｅｄｏｎＷｅａｋＳｉｇｎａｌＤｅｔｅｃｔｉｏｎ ＬＩＡＯＰｉｎｇ，ＸＵＷｅｉ-ｊｉａｎ （ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｏｍｐｌｅｘＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｗｅａｋｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒｍｅｔｅｒｕｓｅｄｆｏｒｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＷｉｔｈｔｈｅＳＴＭ３２ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｍｅｔｅｒｕｓｅｄＩｎＧａＡｓ-ＰＩＮｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｔｈｅＡＤＬ５３０４ｃｈｉｐｗａｓｕｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，２４-ｂｉｔＡＤＣＡＤＳ１２４６ｗａｓｕｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅａｃｔｕａｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ｔｈｅｐｏｗｅｒｍｅｔｅｒｈａｓｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ，ｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｉｔｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔｒｅａｃｈｅｄ-９０ｄＢｍ，ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔｗｉｔｈｐＡｌｅｖｅｌｗｅａｋｏｐｔｉｃａｌｓｉｇｎａｌｃａｎｂｅｄｅｔｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅａｋｓｉｇｎａｌ；ＡＤＬ５３０４ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＳＴＭ３２；ＩｎａＧａＡｓ-ＰＩＮ ０ 引言 随着我国光电技术的不断发展，光功率计在光纤通信二光源测试等领域的应用日益普遍，需求量也大幅增加［１］三但是当前市场上的国产光功率计在微弱信号检测上普遍只能达到-７０ｄＢ即最低只能检测到１ｎＡ的光信号，且稳定性较低，这在一般光纤通信工 程上可以应用，但是对于精密的光纤损耗测量已经不适用了［２］三为此本文设计了一款用于微弱信号检测的光功率计，采用先进的大动态波长响应范围的ＩｎＧａＡｓ-ＰＩＮ光电探测器，利用高速对数转换器ＡＤＬ５３０４芯片搭建光电转换电路，该芯片响应速度快，精度高，且具有２００ｄＢ的测量范围，可输入范围：１ｐＡ １０ｍＡ三因此可实现极微弱光信号检测三 １ 系统工作原理 系统的原理框图如图１所示，ＩｎＧａＡｓ-ＰＩＮ光电探测器将检测到的光信号转变为电流信号，利用ＡＤＬ５３０４构成的Ｉ／Ｖ转换电路进行对数放大，并转换为电压信号，经过电压跟随二低通滤波二均值滤波处理后的电压信号送入Ａ／Ｄ转换电路进行模数转换，根据转换后的数字量，由ＳＴＭ３２控制器来进行数据的处理和分析，最后通过串口通信，进行功率显示 三 图１ 系统原理 ２ 系统硬件实现 其主要任务就是设计高灵敏度的接收电路，首先将光电二极管的光电流进行对数放大，转换为电压信号，并输入电压跟随器，降低输出阻抗后进入信号处理电路三 在信号处理电路中，首先对信号进行低通滤波，滤除电域噪声，提高电路的信噪比三然后进入高精度工频陷波器，并对输出信号进行均值滤波，提高信号平滑度后送入Ａ／Ｄ转换模块三 ２．１ 对数放大器 对数放大器又称为对数转换器，通过一种非线性 万方数据

微弱信号检测

微弱信号检测电路实验报告 课程名称：微弱信号检测电路 专业名称：电子与通信工程＿＿＿年级：＿＿＿＿＿＿＿ 学生姓名：＿＿＿＿＿＿ 学号：＿＿＿＿＿ 任课教师：＿＿＿＿＿＿＿

微弱信号检测装置 摘要：本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下，识别出已知频率的微弱正弦波信号，并将其放大。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路组成。其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路完成微小信号的检测。本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4066，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。 关键词：微弱信号检测锁相放大器相敏检测强噪声

1系统设计 1.1设计要求 设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。整个系统的示意图如图1所示。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC 机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点。 图1 微弱信号检测装置示意 （1）基本要求 ①噪声源输出V N的均方根电压值固定为1V±0.1V；加法器的输出V C =V S+V N，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。 ②微弱信号检测电路的输入阻抗R i≥1 MΩ。 ③当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV ~ 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 （2）发挥部分 ①当输入正弦波信号V S 的幅度峰峰值在20mV ~ 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 ②扩展被测信号V S的频率范围，当信号的频率在500Hz ~ 2kHz范围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 ③进一步提高检测精度，使检测误差不超过2%。 ④其它（例如，进一步降低V S 的幅度等）。

扭矩传感器的测量方法

采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。 扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动（气动，液力）扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。 由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。及由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法：将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行v/f转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.wendangku.net/doc/0b8293138.html,/

传感器与检测课后答案

第一章习题答案 1．什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？ 解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。 2．传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？ 解：<1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。 <2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统 ①MEMS技术要求研制微型传感器。如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。 ②研制仿生传感器 ③研制海洋探测用传感器 ④研制成分分析用传感器 ⑤研制微弱信号检测传感器 <3）研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。 <4）传感器发展集成化：固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。 <5）多功能与多参数传感器的研究：如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向市场。3．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？ 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。 1）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度； 2）传感器的灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值； 3）传感器的迟滞是指传感器在正<输入量增大）反<输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象； 4）传感器的重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 5）传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性：频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。 1）瞬态响应特性：传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。 2）频率响应特性：传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。为了减小动态误差和扩大频率响应范围，一般是提高传感器固有频率ωn。 4．某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV，求其灵敏度。

常用传感器信号测量汇总.

常用传感器信号测量汇总 关键词：传感器；特性；传感器；SCC调理模块；SCXI调理模块；cDAQ 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。人的五官就是天然的传感器，具有视、听、嗅、味、触觉，大脑就是通过五官来感知外界的信息（图1）。 工程科学与技术领域的传感器既是对人体五官的工程模拟物，是能将特定的被测量信息（包括物理量、生物量、生物量）按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。可用信号既是便于处理和传输的信号，目前由于电信号最符合这一要求，传感器也可狭义定义为把外界非电信息转换成电信号输出的器件（图2）。

传感器的构成 传感器的具体构成根据被测对象、转换原理，使用环境和性能要求的情况有很大差异。自源型是仅含有转换元件的传感器构成形式，它不需要外能源，可直接从外部被测对象吸收能量转换为电效应，但输出的能量较弱。常见的有热电偶、压电器件等。 带激励源型是在转换器件外加了辅助能源的构成形式，辅助能源起到激励的作用，可以是电源或磁源，这样不需要变换电路也有较大电量输出。常见的有霍尔传感器等。 外源型是由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成，必须通过带外电源的变换电路才能获得电量输出。常见的有电桥等。 相同传感器补偿型（图3-a）是使用两个完全相同的转换元件置于同样环境下的构成形式。实际使用其中一个元件进行工作，另一个用于抵消其受到的环境干扰影响。常见的有应变式，固态压阻式传感器等。 差动结构补偿型（图3-b）和相同传感器补偿型类似，但其两个转换元件都进行工作，除了可以抵消环境干扰，还使有用的输出值增加。 不同传感器补偿型（图3-c）是两个原理和性质不同的转换元件置于同样环境下的构成形式，也是通过一个转换元件给工作的转换元件提供补偿。常见的有热敏电阻的温度补偿，加速度的干扰补偿等。 目前随着计算机技术的发展，传感器和微处理器结合在一起，形成了智能化传感器的概念，这种构成具有了信息处理的功能，前景十分广阔。 传感器的分类 传感器的种类繁多，分类方式多种多样。对于被测量，可以用不同的传感器来测量；而对于同一原理的传感器，通常又可以测量多种非电量。 具体分类可按转换的基本效应、构成原理等分多种，其中又以按照工作原理分类最为详细（表1）。

光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计解读

光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计< 0引言 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术［1］。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示［2］。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的［3］。然后采用电子学、信息论、onclick=kwC(event,0) onmouseout=kwL(event,this)> 计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中 onclick=kwC(event,1) onmouseout=kwL(event,this)>提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。 1 光电检测电路的基本构成 光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图1所示。 2 光电二极管的工作模式与等效模型 2．1 光电二极管的工作模式 光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］。 一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。 2．2 光电二极管的等效电路模型

微弱光信号检测方法研究现状与发展趋势

微弱光信号检测方法研究现状与发展趋势 光电检测技术凭借其独特的优势，当前已广泛应用于现代工业、农业、军事、电力及生活等领域。微弱光检测技术作为光电检测技术的一项重要内容，既是实现光电信息变换的起点也是光电检测技术实现的一大难点。文章从不同角度介绍了现有微弱光信号检测技术的基本原理和实现手段，并对不同方法的特点和应用情况进行了简要分析。最后对微弱光信号检测方法的发展前景予以展望。 标签：微弱光信号；现代光电检测技术；应用现状 1 概述 微弱光信号检测技术及其相应的光电检测技术可应用于各个领域，如在军事领域，用于隐形目标侦查、武器制造和目标距离检测以及无线通信等；在工业领域，可用于检测产品质量、控制环境污染量及产品计量等方面；在化学分析领域，可用于鉴定物质结构、检测分析药物成分等：在医学领域，可用于分析医学电子图像，通过回测微弱信号检测疾病等[1]。微弱光信号检测技术的研究意义重大。 2 微弱光信号检测技术研究现状 对于微弱光信号检测来说，其难点在于微弱信号采集部分的设计以及转换电路的设计。近些年来，随着现代光电技术的发展，关于微弱光信号的检测、采集与处理技术的研究也取得巨大发展。在采集检测系统的设计与实现方面，众多学者从不同角度进行了尝试和探索。 如采通过在信号处理电路中设置信号通道和参考通道方式，利用微处理器将广义白噪声滤除，开发出“BHJ-400”型红外测温仪。该红外测温设备即使在强噪声的背景下也能实现对微弱光的检测[2]；文献[3]基于信号的相关性原理，设计一锁相放大器并用于检测微弱光信号的测量系统中。从而研制出红外多光谱辐射温度测量系统，同时采用将方法与函数模型法相结合并根据自动化原理设计出双向反射分布函数自动测量系统[3]；采用在同一测量装置上集成非接触式光学成像CCD传感器和接触式光纤传感器方式测量工件的孔径，由于测量技术的科学先进性，该测量设备的测量精度可以达微米级[4]；文献[5]以采用高精度运算放大器及FLASH型芯片核心进行硬件系统和软件系统设计，其测量输出光功率的稳定度可达±0.01nW，有效实现了在光纤通讯领域中对传输终端的微弱光信号功率的高精度测量[5]。 可以看出现有方法多数基于相关检测原理设计锁相放大器，实现对微弱光信号的检测。然而这类方法都有实现成本高、流程和结构比较复杂等不足。寻找一种精度较高、成本较低且结构简单的微弱光信号检测系统十分必要。近期许多学者提出了一些改进的检测方法，取得了较好检测效果。 如文献[6]对传统的全部采用专用集成电路来检测微弱光信号的方法进行改

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6．4．1、采集器测量通道分类 按照对传感器输出信号不同进行分类，包括以下类型： （1）电阻测量 传感器输出：电阻信号。 这类传感器包括：常规空气温度传感器，气候观测的气温传感器、地温传感器等； 采集器的测量通道：采用电阻测量方式。 （2）电流测量 传感器输出：电流信号。 这类传感器包括：超声波蒸发传感器； 采集器的测量通道：采用电流测量方式。 （3）电压测量 传感器输出：电压信号。 这类传感器包括：湿度传感器、红外地温传感器的腔体温度； 采集器的测量通道：采用电压测量方式。 （4）小信号差分电压测量 传感器输出：小信号差分电压信号。 这类传感器包括：辐射传感器、红外地温传感器的目标温度； 采集器的测量通道：采用差分电压测量方式。 （5）脉冲频率测量 传感器输出：脉冲频率信号。 这类传感器包括：10米风速传感器、1.5米气候风速传感器、称重雨

量传感器、气候温度的强制通风扇转速信号； 采集器的测量通道：采用脉冲频率测量方式。 （6）通断计数测量 传感器输出：通断信号。 这类传感器包括：翻斗雨量传感器、主采集器机箱门开关检测； 采集器的测量通道：采用计数测量方式。 （7）数字电平测量 传感器输出：数字电平信号。 这类传感器包括：格雷码风向传感器； 采集器的测量通道：采用数字电平测量方式。 6．4．2、电阻测量通道检测 （1）测量通道检测方法： 使用电阻箱设定标准温度对应的电阻值，或直接使用88.22Ω、100Ω、119.40Ω标准电阻接入采集器的测量通道，检查采集器输出的测量数据应该分别为：-30℃、0℃、50℃。 （2）传感器的检测方法： 直接使用万用表测量铂电阻温度传感器的输出，其输出的电阻值根据传感器当时所处的温度环境，应该在80～120Ω之间。 Pt100温度与电阻值的对比见Pt100的分度表。 6．4．3、电流测量通道检测 （1）测量通道检测方法：

第四章 微弱信号检测技术

第四章 微弱信号检测技术 4.1 被动信号检测 被动检测是一种常用的检测系统，它已广泛应用于水下引信信号检测及 其它工业领域。在被动信号检测中，常用的时域检测方法有以下几种：①宽带检测、②相干检测、③频率随机分布正弦信号的检测技术、④时域同步平均检测与波形恢复技术、⑤相关技术等等；而在频域的检测方法主要是基于FFT 算法的谱分析技术。 4.1.1宽带检测 在有些应用场合，干扰噪声和输入信号都是一有限长的限带零均值的高 斯分布随机过程，在此情况下一般使用宽带检测技术。 4.1.1.1最佳宽带检测器 最佳宽带检测器的结构框图如下： 图4.1 在高斯噪声中检测高斯信号的最佳系统结构 图 4.1中)(ωS 是信号的功率谱密度，()ωN 是干扰噪声的功率谱密度。而 2/12/12/1)]()()[()()(ωωωωωS N N S H +=表示预选滤波的频率响应。 当信号和噪声都是限带高斯分布白噪声时，信号和噪声的差别是信号和 噪声的功率级不同，)(ωH 为常值，最佳检测器是一个平均功率检测器。从理论上说无论噪声多强，信号多弱，只要他们是平稳的，且他们的方差可准确求出来，那么总可通过比较N 和N+S,发现信号。如果过程)(t r 是各态遍历的,那么方差可通过下式计算出来。 ?-≈=t T t r dt t r T t r E )(1)]([222 σ (4.1.1) 不难看出，由于截取的样本时间是滑动的，从而图 4.1可简化为平方积分系统。由于截断T 不是无限长的，所以输出)(t Z 并不等于2r σ,而是随t 在2r σ的均

值附近起伏。对于限带白谱：起伏的存在将掩盖信号加噪声（H 1）与噪声（H 0） 的差别。所以系统的信噪比计算公式如下： )()]()([)/(202 012Z Z E Z E N S σ-= (4.1.2) 在各态遍历条件下，T 越长系统的最佳性越好。 当信号和噪声的功率谱不是白谱时，可利用的信息不仅有能量差异，而且还有谱形状的差异。此时的预选滤波器的传输函数)(ωH 的幅度特性如下： 2/12/12/1)]()()[()()(ωωωωωS N N S H += (4.1.3) 在小输入信噪比情况下： ) ()()(1)()()(2/12/12/12/1ωωωωωωN S N N S H =≈ (4.1.4) 式(4.1.4)所描述的滤波器称为厄卡特滤波器。若假设信号和噪声有相同的谱形状，则： ) (1)(2/1ωωN H = (4.1.5) 上式所描述的是一个白化滤波器，信号和噪声通过后一律变成白噪声。非白谱小信号情况下，其)(ωH 相当于一个白化滤波器和一个匹配滤波器的级联。当信号与噪声有相同形状功率谱时，匹配网络的频率传输函数等于常数，厄卡特滤波器退化为一个白化滤波器,此时虽然不能提高系统输出端的信噪比，但却通过改善噪声谱的形状（白化）提高了系统的等效噪声谱宽。 4.1.1.2实用宽带检测器 在实际应用中，由于信号和噪声的功率谱很难知道，因此预选滤波器一 般没有白化和对信号进行匹配的能力，因此它对系统的输出信噪比影响很小。在实用的宽带检测系统中，主要研究的是宽带能量检测器，对这种接收机一般以系统的输出信噪比的大小或系统处理增益作为衡量系统性能的指标。宽带能量检测器在判决检测前都相应有一个等效积分器，为使讨论具有一般性，可将积分器理解为一个低通滤波器，积分器的传输函数记为H(w)，输入端Y 处与输出端Z 处的信噪比可按如下公式计算： )()]()([)/(20201Y Y E Y E N S Y σ-= (4.1.6) ) ()]()([)/(20201Z Z E Z E N S Z σ-= (4.1.7) 它们和系统参数的关系如下：