微弱信号检测

2007年清华大学出版社出版的图书

微弱信号检测是指对湮没在背景噪声中的微弱信号的测量,由于微弱信号本身的涨落、背景和放大器噪声的影响限制了它的测量灵敏度。其内涵为利用电子学和信息论的方法,研究噪声的成因和规律,分析信号的特点和相关关系,发展新的检研究的内容有:噪声物测原理、微弱信号检测理论、低噪声设计、弱信号传感器和信号提取技术等。

产品特点

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需要研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件；

③利用电子学和信息论的方法，研究噪声的成因和规律，分析信号的特点和相干关系。自从1928年发现电阻中电子的热骚动引起非周期性电压以来，弱检测技术受到普遍重视而得到迅速发展。

相关介绍

频域信号的窄带化技术

这是一种积分过程的自相关测量。利用加权函数锁定信号的频率与相位特性并加以平滑，使信号与随机噪声相区别。采用这种原理设计的仪器称为锁定放大器，其核心是相敏检波器（见模拟相乘器）。伴有噪声的信号与参考信号通过相敏检波器相乘以后，输入信号的频谱成为直流项和倍频项的频谱迁移，通过后续低通滤波器保留与信号成正比的直流项。低通滤波器可增大积分时间常数，即压缩等效噪声带宽，因而Q值可达102～108,噪声几乎抑制殆尽。微弱信号检测是以时间为代价来获得良好的信噪比。自1962年锁定放大器问世以来，主要从三个方面提高其性能：一是提高检测灵敏度和改善过载能力，充分扩展测量的线性范围。最高灵敏度已达到0.1纳伏（满度），总增益为200分贝。有效的方法是用交流相敏检波（如旋转电容滤波器）对信号进入直流相敏检波器前的交流放大和噪声的预处理，或利用同步外差技术（检测原频或中频），即利用交叉变换来滤除噪声。二是克服相敏检波器的谐波响应，降低高频干扰和频漂的影响。三是扩展被测信号的频率范围，扩展低频以适应缓变信号的处理，要求良好的高频响应以满足通信和某些特殊测量的要求。

时域信号的积累平均法

若信号波形受噪声干扰，则须采用平均法检测法,即将波形按时间分割若干点,对所有固定点都积累N次，根据统计原理信噪比将改善倍。采用快速取样头对信号采样平均，则时间分辨率可与取样示波器相同，约为100皮秒,并可用基线取样法实现背景的扣除。但其缺点是每一个信号波形只取样一次，效率很低，不利于检测长周期信号。数字多点平均弥补了这个缺点，信号每出现一次，按时间分成许多取样通道（如1204道），各道采集的值经数字化后存储到各道对应的固定地址，计算机根据平均方式（线性、指数和归一化平均）对每次取样值进行处理。存储器能长久保存信息，因此不受取样次数的限制，同时具有简化硬件、提高精度、自动测量、处理方便和防止误操作等优点。但是，对于高重复频率的信号，因受计算机速度的限制，尤其在用软件代替部分硬件的情况下，速度更是需要解决的问题。

离散量的计数处理　当光子转化为电子，倍增后的输出是电脉冲，测量便成为离散量的计数技术。针对噪声（如杂散光、场致发射、光反馈、热电子发射、放射性和契伦柯夫辐射等）、信号（单位时间内的光子数）的概率分布、光脉冲的快速响应和堆积效果、量子效率及光子收集等问题，已研制出微弱光检测的光子计数器。它首先需要特殊设计具有明显的单光电子响应的光电倍增管、致冷和抗干扰措施，以及电子倍增极增益的合理分配。其次，由于光脉冲很窄，要求宽带低噪声前置放大，放大器终端还须设有两个可调阈值的窗口甄别电路。最后，对所获取并经甄别的信号进行计数和计算机处理，其中包括定常统计、背景扣除、源强度补偿、误差修正和信噪比的进一步改善。计数处理不限于光子检测，如将模拟量用电压-频率转换变成频率,同样可用计数方法提取信号。

并行检测的多道分析

诸如弱光谱测量的进一步要求，希望在测量范围内（如波长）用扫描方式同时获得或记录只有一次的单次闪光光谱，因此并行检测方法得到发展。以阿达马和傅里叶变换为基础的多路转换技术，因受噪声的限制而应用不多，光图像检测与电视技术相结合的多道分析因与弱检测技术配合而获得成功。硅靶摄像管、析像管、微通道板等器件为并行检测创造了条件，它们能将光学图像变成电子图像，相当于百万个光电倍增管同时工作，利用扫描可按程序选取地址并读出。由于硅靶等阵列可以增强并存储信息，并可在光阴极与靶面（或增强级）之间采用门控方式。因此，光多道分析是弱光并行检测与快速光现象时间分辨的结合与革新，提高了信噪比并节约了时间，为动力学研究创造了良好条件。

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