微弱信號(hào)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

殷大勇

摘 要：隨著我國(guó)新時(shí)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的不斷推進(jìn)，我國(guó)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展，但是在微弱信號(hào)檢測(cè)方面，我國(guó)現(xiàn)有信號(hào)檢測(cè)技術(shù)還存在一定的不足，需要得到相關(guān)科研部門的高度重視，也需要經(jīng)過(guò)相關(guān)科研人員的進(jìn)一步改進(jìn)，以期我國(guó)新時(shí)代微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)能夠滿足新時(shí)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展需求，使我國(guó)新時(shí)代綜合科技能力穩(wěn)步提升。本文重點(diǎn)對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討和分析，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案以供廣大信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究人員的參考，以期為我國(guó)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)做出積極貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：微弱信號(hào);信號(hào)檢測(cè);裝置;設(shè)計(jì)

微弱信號(hào)檢測(cè)（ Weak Signal Detection） 是一門新興的技術(shù)學(xué)科，應(yīng)用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、力學(xué)、地質(zhì)、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、激光、材料等領(lǐng)域。其儀器已成為現(xiàn)代科學(xué)研究中不可缺少的設(shè)備。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是使用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性及其差別，檢測(cè)被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)。

一、微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)概述

隨著我國(guó)新時(shí)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)主義生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，各種對(duì)于數(shù)據(jù)精確度要求較高的物理量的微小變化需要得到及時(shí)的測(cè)量，比如一些微弱風(fēng)電流、電壓，或者一些微小的溫度變化和磁場(chǎng)、振動(dòng)等，有些微弱信號(hào)往往處于一些極端的條件下，這些微弱信號(hào)的測(cè)量同樣十分重要。

在通常情況下，很多的非電量微小物理變化都可以通過(guò)特定的傳感器經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)變變?yōu)殡娦盘?hào)，達(dá)到了對(duì)微小信號(hào)放大的目的，進(jìn)而進(jìn)行進(jìn)一步的顯示和記錄。但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，這些較為微小的物理量變化即使通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換也是十分微弱的，二對(duì)于這些微弱信號(hào)新進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，干擾和噪聲往往會(huì)成為主要的矛盾所在，在基本的科學(xué)認(rèn)識(shí)中，物質(zhì)一般是由院子或者分子等帶電粒子所組成，物質(zhì)若長(zhǎng)期存在于一定的溫度環(huán)境或者其他條件之中時(shí)，帶電粒子往往會(huì)發(fā)生熱擾動(dòng)，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生一定的熱噪聲造成干擾;除此之外，電子電路中的各個(gè)電子元件，尤其是半導(dǎo)體器件之中的載流子在再生、復(fù)合的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列的噪聲，最為突出的還有依附于半導(dǎo)體器件表面狀態(tài)的影響的閃爍噪聲，還有一些光所產(chǎn)生的量子噪聲等等。這些噪聲在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中往往會(huì)體現(xiàn)為一些噪聲電壓對(duì)檢測(cè)造成干擾，使微弱信號(hào)在這些干擾性的噪聲電壓中被掩蓋。

除了以上所述的幾種噪聲干擾之外，在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中也會(huì)有一些人為造成的干擾或者自然界固有條件造成的干擾，這些噪聲與干擾主要是來(lái)自于檢測(cè)系統(tǒng)的外部，在實(shí)際的檢測(cè)操作之中可以運(yùn)用一些電磁屏蔽技術(shù)將檢測(cè)系統(tǒng)之中的一系列干擾和噪聲進(jìn)行阻隔，使干擾和噪聲的影響盡量降到最低。雖然在理論上可以一次方式對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改良，但是在實(shí)際的檢測(cè)工作中如果要完全消除或者隔絕這些干擾和噪聲是非常難的。而微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)就是對(duì)研究和生產(chǎn)過(guò)程中的微小變化量進(jìn)行記錄、觀察和研究，并從技術(shù)層面盡量解決實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的一系列干擾和噪聲對(duì)于微弱信號(hào)的影響問(wèn)題。若想在實(shí)際檢測(cè)工作中有效解決干擾和噪聲帶來(lái)的一系列問(wèn)題就要從微弱信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)開始研究，在實(shí)際的微弱信號(hào)檢測(cè)工作中，放大器或者微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)車檢測(cè)任務(wù)就是在檢測(cè)過(guò)程中在眾多干擾和噪聲中尋找出所需要的微弱信號(hào)并進(jìn)行有效放大。但是在實(shí)際操作中，現(xiàn)階段一般被用于微弱信號(hào)檢測(cè)的放大器并不能將微弱信號(hào)從干擾和噪聲之中單獨(dú)放大出來(lái)，它往往會(huì)把噪聲和干擾一并放大，從而根本無(wú)法進(jìn)行有效的檢測(cè)，在檢測(cè)中，只有能將信號(hào)放大到與噪聲和干擾區(qū)分開來(lái)的放大器才能作為實(shí)際檢測(cè)中有用的工具。如果干擾和噪聲在放大的過(guò)程中無(wú)法與微弱信號(hào)區(qū)分開或者依然大于微弱信號(hào)使微弱信號(hào)被掩蓋掉，即使不對(duì)放大器本身產(chǎn)生的噪聲和干擾進(jìn)行考慮，也不過(guò)只能維持放大器中的輸入端信噪比，這種放大器并沒有以微弱信號(hào)與噪聲和干擾的基本特性為出發(fā)點(diǎn)，只以信號(hào)與噪聲的特性平均功率作為基本的區(qū)分方式，只有充分以微弱信號(hào)與噪聲和干擾的基本特性為出發(fā)點(diǎn)，使微弱信號(hào)與噪聲和干妹妹繞之間區(qū)分開來(lái)，才能在實(shí)際的檢測(cè)工作中在噪聲和干擾中檢測(cè)微弱信號(hào)。現(xiàn)代微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，尤其在新時(shí)代電子技術(shù)的高速發(fā)展下為微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)的物質(zhì)條件。

二、關(guān)于微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)相關(guān)原理

對(duì)噪聲的處理在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中是十分重要的，對(duì)于微弱信號(hào)的實(shí)際檢測(cè)來(lái)說(shuō)，如果能夠有效減輕噪聲影響，就可以進(jìn)一步的提高信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)總體的靈敏度。接下來(lái)主要介紹的是鎖相放大法。

相敏檢波器（phase sensitive detector，簡(jiǎn)稱PSD）作為鎖相放大法的核心部分實(shí)際上是一種乘法器。經(jīng)濾波器后，原本加在輸入端的信號(hào)加到來(lái)哦PSD的一個(gè)輸入端。并且一個(gè)與被測(cè)信號(hào)頻率相同的正弦波（或方波）信號(hào)也在PSD的參考輸入端進(jìn)行加入。

在正常的檢測(cè)工作之中，通常參考信號(hào)的被測(cè)信號(hào)的頻率與基波頻率是基本相等的。此時(shí)輸出的PSD信號(hào)中含有一定的直流成分，經(jīng)過(guò)低通的濾波器處理后，從PSD輸出的信號(hào)中，交流成分被處理掉，只有直流成分會(huì)被順利的輸出，而它的大小一般與參考信號(hào)和輸入信號(hào)的實(shí)際相位差有很大關(guān)聯(lián)。

基于由DDS產(chǎn)生的正弦參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)間的相位差未知，可以增加移相電路，將參考信號(hào)分解為同相和正交分量，分別與被測(cè)信號(hào)相乘。

假設(shè)他們之間相位差為φ。正交分量與被測(cè)信號(hào)相乘后，經(jīng)過(guò)低通濾波，得到直流分量。與同相分量和被測(cè)信號(hào)相乘的結(jié)果平方再相加開方后，即可得到與被測(cè)信號(hào)的幅值成正比的直流分量。

雙路鎖相放大法的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，輸出信號(hào)與相位差無(wú)關(guān)，可以得到穩(wěn)定的直流分量，測(cè)量精度可以很高。基于此，本文所介紹的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置使用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際計(jì)算中，相關(guān)人員可以先將測(cè)量信號(hào)設(shè)置為Asin（ωt+α），將噪聲設(shè)置為n（t）。因?yàn)橐獪y(cè)量的幅度A很小，因此常常被周圍的噪聲所淹沒。為了提取信號(hào)，必須提供其幅度B被確定的相同頻率的正弦信號(hào)Bsin（ωt+β）。兩個(gè)信號(hào)到達(dá)乘法器并執(zhí)行操作。結(jié)果為ABcos（α-β）-cos（2ωt+α+β）+n（t）Bsin（ωt+β）（1）式中，第一項(xiàng)是直流分量，其大小與兩個(gè)信號(hào)的幅度和相位差的余弦成正比;第二項(xiàng)是待測(cè)信號(hào)的雙頻信號(hào);第三項(xiàng)是將與待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)同時(shí)進(jìn)入乘法器的噪聲相乘的結(jié)果，幾乎所有這些都是AC信號(hào)。因?yàn)榭梢允沟屯V波器的通帶變窄，因此可以通過(guò)低通濾波器濾除將要測(cè)試的信號(hào)的雙頻信號(hào)與乘以參考信號(hào)的噪聲相乘的結(jié)果。僅剩下直流信號(hào)，即ABcos（α-β）。只要兩個(gè)信號(hào)的初相位α和β是已知的，則cos（α-β）是恒定的。因?yàn)榇_定了參考信號(hào)的幅度B，因此容易獲得待測(cè)信號(hào)的幅度A，從而實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的檢測(cè)。