第15章 微弱信號檢測

第15章微弱信號檢測知識單元與知識點微弱信號、微弱信號檢測、噪聲的概念；噪聲的概率分布和相關(guān)函數(shù)；微弱信號的檢測方法（相關(guān)檢測法、同步積累法）。能力點理解微弱信號、微弱信號檢測、噪聲的概念；了解噪聲的概率分布和相關(guān)函數(shù)；了解微弱信號的檢測方法（相關(guān)檢測法、同步積累法）。重難點重點：微弱信號、微弱信號檢測、噪聲的概念。難點：微弱信號的檢測方法。學(xué)習(xí)要求了解微弱信號、微弱信號檢測、噪聲的概念；了解噪聲的概率分布和相關(guān)函數(shù)；了解微弱信號的檢測方法（相關(guān)檢測法、同步積累法）。15.1概述微弱信號是相對背景噪聲而言，其信號幅度的絕對值很小、信噪比很低（遠(yuǎn)小于1）的一類信號微弱信號檢測的任務(wù)是采用電子學(xué)、信息論、計算機(jī)及物理學(xué)、數(shù)學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點與相關(guān)性，對被噪聲淹沒的微弱有用信號進(jìn)行提取和測量微弱信號檢測的目的是從噪聲中提取出有用信號，或用一些新技術(shù)和新方法來提高檢測系統(tǒng)輸入輸出信號的信噪比15.2噪聲噪聲是對有用信號的某種不期望的擾動，包括非被測信號或非測量系統(tǒng)所引起的噪聲和來自于被測對象、傳感器、測量系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲兩種情況噪聲是一種連續(xù)型隨機(jī)變量，在不同時刻可能出現(xiàn)不同的噪聲值噪聲的概率分布

噪聲的相關(guān)函數(shù)

噪聲的自相關(guān)函數(shù)噪聲的互相關(guān)函數(shù)15.3微弱信號檢測方法15.3.1相關(guān)檢測法所謂相關(guān)檢測就是利用信號周期性和噪聲隨機(jī)性的特點，通過自相關(guān)或互相關(guān)函數(shù)值的計算，達(dá)到從噪聲中檢測出微弱信號目的的一種技術(shù)相關(guān)檢測分為自相關(guān)檢測和互相關(guān)檢測兩種情形

（1）自相關(guān)檢測自相關(guān)檢測原理（2）互相關(guān)檢測互相關(guān)檢測原理框圖相干檢測原理

①輸入只有信號、沒有噪聲時②輸入只有噪聲、沒有信號時③當(dāng)輸入中同時有信號和噪聲時，輸出則為上面兩個結(jié)果之和；由②知，當(dāng)積分時間足夠長時，可實現(xiàn)噪聲抑制，檢測出被測有用信號鎖相放大器

鎖相放大器是一種利用互相關(guān)原理設(shè)計的同步相干檢測儀，用于對檢測信號和參考信號進(jìn)行相關(guān)運算，鎖相放大器具有極強(qiáng)的抑制噪聲的能力。鎖相放大器利用參考信號與被測信號具有相關(guān)性，而與噪聲信號互不相關(guān)的特性，通過互相關(guān)運算來削弱噪聲的影響。15.3.2同步積累法同步積累法是基于信號的穩(wěn)定性和噪聲的隨機(jī)性，當(dāng)信號多次重復(fù)時，由于信號周期性的重復(fù)，噪聲卻不具有這個特性，這樣，每個周期的信號受到的干擾不同，在接收端就會收到不同畸變的信號，對畸變信號進(jìn)行多次對照就可識別出信號的原形。信號重復(fù)的次數(shù)越多，接收機(jī)輸出的信號就越接近原始信號，信噪比越高，即系統(tǒng)抑制噪聲的能力越強(qiáng)同步積累器的工作原理設(shè)信號是一串周期窄脈沖，檢測時可把信號通路接到一個分配器上，分配器的每一個輸出都接到一個積累器，工作時信號通路被分配器輪流地接到不同的積累器上假設(shè)分配器的工作周期和信號的重復(fù)周期相同，并設(shè)分配器從一個出路到另一個出路的切換時間可以忽略，則分配器的工作周期被分割成若干個時間區(qū)間（取決于積累器的個數(shù)），在每次信號到來的那個時間區(qū)間都能保證通路恰好接到同一個積累器上，所以這種方法稱為同步積累只要重復(fù)的次數(shù)足夠多，基于同步積累法就可以把噪聲中的微弱信號提取出來，而且重復(fù)的次數(shù)越多，提取微弱信號的能力越強(qiáng)同步積分器同步積分器是采用對信號和噪聲多次累積平均的方法來實現(xiàn)將已知頻率的信號從噪聲中提取出來的，同步積分器特別適用于對方波信號的提取。信號只有兩個狀態(tài)，因此只需要兩個同步積累器，同步積累器是采用積分器來完成對信號的積累的，故稱為同步積分器。取樣積分器

取樣積分器利用了對信號逐點多次采樣、積分求平均值的方法。要測量淹沒在噪聲中的周期脈沖信號，用一個采樣時間極短的采樣保持器去周期地采集信號，如果采樣周期和信號周期相同，則采集點相對波形的位置將不變。如果被測信號是無噪聲的、穩(wěn)定的周期信號，則每次采樣的數(shù)值是不變的，它的積分平均值就等于該信號此刻的瞬時值；如果被測信號中存在隨機(jī)噪聲，則各次采樣的數(shù)值均可能偏離有用信號的瞬時值，但如果采樣保持器的電容足夠大，對采集到的輸入電壓有積分作用，則噪聲的影響會減弱，采集次數(shù)越多，噪聲的平均值就越小，當(dāng)次數(shù)足夠大時，可以認(rèn)為噪聲取樣趨于0，但穩(wěn)定的有用信號不受積分平均的影響。數(shù)字多點平均器

使用取樣間隔控制器對取樣位置進(jìn)行控制，使N（如1024）個開關(guān)順序打開，分別對信號波形上的N個點進(jìn)行順序取樣，并把取樣結(jié)果分別存入到N個電容器中進(jìn)行積累，待積累完成后再依次順序輸出每一個電容上的電壓，從而恢復(fù)信號波形。這種多點信號平均方法可以在一個信號波形上每掃描一次就采樣

個點，大大減少了信號測量的時間。數(shù)字多點平均處理原理數(shù)字多點平均器的適用條件信號必須是周期性重復(fù)信號，但其周期重復(fù)次數(shù)不一定要求是無限的同步信號必須準(zhǔn)確可靠地與測試信號同頻、同相，由同步信號倍頻后得到的取樣時鐘信號能可靠地、等間隔地啟動各周期內(nèi)的i次取樣，而且能夠保證m次掃描中取樣