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微弱信号检测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。
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。
微弱信号的检测方法微弱信号的检测是指在噪声背景下，检测和提取出非常弱的信号。
这是许多领域中重要的问题，如无线通信、雷达、天文学和生物医学等。
由于微弱信号可能与噪声相似，因此检测方法需要对噪声进行有效的抑制，并提高信号的可观测性。
本文将介绍一些常用的微弱信号检测方法，并对其原理和应用进行详细讨论。
一、相关检测方法相关检测方法是一种常见的微弱信号检测方法。
它基于信号和噪声之间的相关性，通过计算信号与预先定义的模板之间的相关度来判断是否存在微弱信号。
相关检测方法的主要步骤包括预处理、相关运算和判决。
预处理阶段通常包括滤波、降噪和增强信号质量等操作，以提高信号的可观测性。
相关运算阶段使用相关函数来衡量信号和模板之间的相似度。
最后，在判决阶段根据相关度的阈值来判断是否存在微弱信号。
二、统计检测方法统计检测方法是基于概率统计理论的一种微弱信号检测方法。
根据噪声和信号的统计特性，通过建立适当的统计模型来描述信号和噪声之间的差异，并利用统计推断方法进行信号检测。
常用的统计检测方法包括最大似然检测、Neyman-Pearson检测和贝叶斯检测等。
最大似然检测通过计算信号和噪声模型的似然函数来估计信号存在的概率。
Neyman-Pearson检测通过设置假设和备择假设来最小化错误检测概率。
贝叶斯检测方法则利用贝叶斯公式，结合先验概率和后验概率来判断信号是否存在。
三、小波变换方法小波变换是一种多尺度分析方法，可以将信号分解成不同频率的子信号。
因此，它在微弱信号检测中具有广泛的应用。
通过对信号进行小波变换，可以将微弱信号从噪声中分离出来。
小波变换方法包括连续小波变换和离散小波变换。
连续小波变换是通过对信号应用一组连续小波基函数来分析信号的频谱特性。
离散小波变换则是对信号进行离散化处理，以在有限的时间和频率分辨率下进行分析。
小波变换方法具有时频局部化的性质，能够有效地检测和提取微弱信号。
四、自适应滤波方法自适应滤波是一种广泛应用于微弱信号检测的方法。
微弱信号检测
在现代通信和电子系统中，微弱信号的检测是一项至关重要的任务。
微弱信号
可能受到噪声、干扰和衰减的影响，因此准确地检测和提取信号是挑战性的。
本文将探讨微弱信号的检测方法和相关技术。
背景介绍
微弱信号通常指的是信号强度较低，难以被准确检测和提取的信号。
在信号处
理领域，微弱信号的检测是一项关键技术，涉及到信噪比的提升、信号增强和干扰抑制等方面。
微弱信号检测在无线通信、雷达系统、生物医学等领域具有广泛的应用。
微弱信号检测方法
统计信号处理方法
统计信号处理方法是一种常用的微弱信号检测技术。
通过对信号的统计特性进
行分析，可以提高信噪比，减小信号的波动性，从而更容易地检测到微弱信号。
频谱分析方法
频谱分析是另一种常用的微弱信号检测技术。
通过对信号的频谱特性进行分析，可以准确地提取信号频率和幅度信息，帮助识别微弱信号并抑制干扰。
小波变换方法
小波变换是一种多尺度的信号分析方法，可以有效地处理信号的非平稳性特点。
在微弱信号检测中，小波变换可以提高信噪比，减小信号与干扰的混叠程度，从而更好地检测微弱信号。
微弱信号检测技术发展趋势
随着通信技术的不断发展和智能化水平的提高，微弱信号检测技术也在不断创
新和改进。
未来，人工智能、机器学习等技术将进一步应用于微弱信号检测领域，提高检测的准确性和灵敏度。
结语
微弱信号的检测是一项重要而复杂的技术，需要综合运用信号处理、数字处理
和通信技术等知识。
通过不断的研究和创新，我们可以更好地应对微弱信号检测的挑战，为通信和电子系统的发展提供更好的支持。
第一章绪论1.1弱信号检测的发展随着科学技术的发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测（如弱光小位移微振动微应变微温差低电平电压等）越来越受到人们的重视，因而逐渐形成微弱信号检测（Weak Signal Detection，简称WSD）这门新兴的分支技术学科，应用范围遍及光电磁声热生物力学地质环保医学激光材料等领域。
近30年来在研究宏观和微观世界的过程中，科学工作者们不断开发出能把淹没在噪声中的大量有用信息检测出来的理论和方法，通过不断的系统化完整化，从而形成了一门新的微弱信号检测的学科分支，其仪器已成为现在科学研究中不可缺少的设备。
1.2弱信号检测的意思目的与意义微弱信号检测技术是采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。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用的信号，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。
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个热点。
微弱信号检测技术在许多领域具有广泛的应用，例如物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等。
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，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、微流量、微振动、微温差、微压差以及微电导、微电流、微电压等。
随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，可以说，微弱信号检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要意义。
1.3提高信号检测灵敏度的两种基本方法检测有用微弱信号的困难并不在于信号的微笑，而主要在于信号的不干净，被噪声污染了淹没了。
所以，将有用信号从强背景噪声下检测出来的关键是设法抑制噪声。
提高信号检测灵敏度或抑制或降低噪声的基本方法有以下两种：一是从传感器及放大器入手，降低它们的固有噪声水平，研制和设计低噪声放大器，例如，对直流信号采用斩波稳零运算放大器（如F7650），对交流信号采用OP系列运算放大器等：二是分析噪声产生的原因和规律，以及被测信号的特征，采用适当的技术手段和方法，把有用信号从噪声中提取出来，即研究其检测方法。
第一章概论1.1 检测的概念国际通用计量学基本名词中，检测(detect)指示某些特殊量的存在但无需指示量值的过程。
信号检测指对信号存在与否的判决。
测量(measurement)指以确定量值为目的的一组操作。
检测技术指为了对被观测量进行定性判决或定量测量所采用的理论方法和技术措施。
微弱信号(Weak Signal)有两个方面的含义：其一是指有用信号的幅度相对于噪声或干扰来说十分微弱；其二是指有用信号幅度绝对值极小，如检测uV，nV，pV量级的电压信号。
这两种情况既有联系又有区别，本文讨论的主要是前一种情况，即研究如何从强噪声背景中检测有用信号。
对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以期反映被测量的大小。
但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅值大的多。
同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰的影响，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。
只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。
为了达到这样的目的，必须研究微弱信号检测的理论、方法和设备。
1.1.1微弱信号检测的特点微弱信号检测技术(Weak Signal Detecting，简称WSD)的首要任务就是提高信号的信噪比或信干比，这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学等方法，从噪声及干扰中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术应用的需要。
为了从噪声中提取出有用信号，就需要分析噪声的来源、性质、规律和传播途径，研究被测信号和噪声的统计特性与差别，以寻找从背景噪声中检测出有用信号的理论和方法[9]。
微弱信号检测不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型、传感原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比。
1、微弱信号检测特点 WSD目的：提取需要检测到的微弱信息。
微弱：一般幅值小，但其实是相对噪声。
检测特点：遏制噪声（内部、外部）、放大信号、提高信噪比。
对象：研究噪声、信号。
研究两者区别，并且利用该区别研发设备和方法相对性：信号噪声可转换2、信号和噪声相关理论研究方法：（1）时域：均值、中值滤波、相关性、高斯分布（2）频率域：FFT 、采样定理、低通、带通、带阻（3）其他：小波、分形等，特征分析信号分析方法信号的性质可以从频域和时域两方面进行分析。
频域分析常采用傅里叶分析法。
时域分析主要包括卷积和相关函数。
3、噪声：通常把由于材料或器件（内部电路器件）的物理原因产生的扰动称为噪声，频谱分布一般比较宽。
4、信噪比：噪声对信号的覆盖程度信噪改善比：改善的效果，评价一个放大器或者一个测试系统遏制噪声的能力当信号通过一个放大器或者一个测试系统后，信噪比可能提高，也可能降低。
引入信噪比改善系数SNIR 来描述放大器或测试系统对信噪比的改善作用，定义为，y 产生可观察到变化5、微弱信号蕴含着两层含义：第一层含义是信号本身非常微弱，是一个绝对意义上的微弱；第二层含义是相对意义上的微弱，也就是信号对于强背景噪声而言，是非常微弱的，简而言之就是信噪比极低。
6、常规小信号检测方法：滤波、调制和解调7、电噪声的主要统计特征包括：（1）频域统计特征：功率谱密度（2）时域统计特征：相关函数（3）幅域统计特征：概率密度函数8、对于电压或电流型的随机变量，均值表示的是其直流分量；表示对均值的偏离程度，表明随机噪声的起伏程度；均方值反映的是随机噪声得到归一化功率，它表示的是随机电压或电流在1Ω电阻上消耗的功率9、相关函数：衡量随机过程在任意两个时刻获得的随机变量之间的关联程度。
是其时域特征的平均量度，它反映同一个随机噪声n(t)在不同时刻t1和t2取值的相关程度10、自相关函数在τ=0处取得最大值 周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不具有原信号的相位信息。
四川省大学生电子设计竞赛报告题目：微弱信号检测装置微弱信号检测装置【摘要】：为提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用基于AD630设计了一个双相位锁相放大器。
实现了正弦信号的检测和显示，由于时间紧迫，AD采样显示的数值误差较大。
【关键词】：锁相放大器正交信号 AD630 MAX7490一、方案设计与论证图1 微弱信号检测装置示意图1.1 微弱信号检测电路设计与方案微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。
常用的微弱信号检测方法有：匹配滤波、锁相放大、取样积分等。
方案1：匹配滤波法。
使用窄带滤波器，滤掉带宽噪声只让窄带信号通过；此方案电路简单，但是，由于一般滤波器的中心频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。
方案2：单通道锁相放大法。
用AD630平衡调制解调芯片、移相器及低通滤波器构成锁相放大电路，基于信号的互相关原理，移相器输出的信号必须与被测信号同频同相，由于被测信号相位未知，需移相器逐步移相，实现较为复杂。
方案3：双通道锁相放大法。
用两个AD630平衡调制解调芯片、两个低通滤波器做成双通道锁相放大器，就是被测信号与两个相互正交的信号分别相乘经低通滤波器再送入AD进行采样，这样不需考虑被测信号的相位。
两路正交信号由74LS74构成的分频电路产生或由单片机产生。
由于只需要直流分量，低通滤波器的截止频率可以低到几百赫兹。
综合考虑，我们采用方案3。
1.2 加法电路的设计与方案加法电路要求正弦信号与噪声信号相加，并测量噪声的均方根值；因此加法电路的内部噪声越小越好。
方案1：普通加法器。
用低噪声放大器OPA2227做一个普通的加法器，但此电路接有电阻电容，会产生附加噪声。
方案2：高性能加法器。
用低噪声仪表放大器INA2134做一个高性能的加法器，有独立的共模抑制能力、增益误差、噪声和失真。
方案2虽然比方案1复杂，但引入的附加噪声比方案1小，因此选用方案2。
1.3 带通滤波器设计与方案题目中给了一个带宽很宽的强噪声，要想进可能地滤掉噪声，需一个窄带带通滤波器。
方案1：采用OPA2227设计中心频率指定的有源带通滤波器。
方案2：采用OPA2227分别设计低通滤波器和高通滤波器，组成一个带通滤波器。
方案3：用MAX7490做程控带通滤波器，参考官方电路设计。
方案1设计的带通滤波器不满足中心频率在500Hz-2000Hz内变化的设计要求；方案2设计的带通滤波器带宽太宽，引入过多噪声容易造成太大的测量误差；因此采用方案3。
1.4 整体系统电路设计整体系统框图如下：图2 整体系统框图二、理论分析与参数计算2.1锁相放大器电路中的相关器原理锁相放大电路中最重要的部分是相关器(PSD)部分，它是锁相放大电路的核心，起着至关重要的作用。
相关器是相关函数的物理模型，是一种完成被测信号和参考信号互相关函数运算的电子线路，相关器又叫相敏检波器。
设输入信号：()1sin 2s s U E f 1πθ+= （1）参考信号：()2sin 2R R U E f 2πθ+= （2）则输出信号：0R S U U U = （3）()()120121cos 22S R U E E f f t πθθ=-+--⎡⎤⎣⎦()()12121cos 22S R E E f f t πθθ+++⎡⎤⎣⎦ （4）上式表明，相敏检波器的输出包括两部分，前者为输入信号与参考信号的差频分量，后者为和频分量。
当被测信号与参考信号同步时，即f1=f2时，差频分量为零，这时差频分量编程相敏直流电压分量，而和频分量为倍频。
其物理意义表示信号经过相敏检波以后，信号频谱相对频率做了相对位移，即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱，经过低通滤波滤除倍频分量，从而使输出变为()()120121cos 22S R U E E f f t πθθ=-+-⎡⎤⎣⎦ （5）因为f1=f2，设θ=θ1-θ2，则最后经过低通滤波后只有直流分量能通过，其它与时间t 有关的项不能通过低通滤波，所以经过相敏检波的输出信号经过低通滤波后只剩直流分量1cos 2S R E E θ。
2.2 程控带通滤波器计算基于MAX7490的程控滤波器，稳定性高，使用方便，外部进行电容电阻既可方便的设置滤波器中心频率，带宽等，并且滤波效果好。
考虑发挥部分的频率由500HZ~2KHZ 的变化，我们需要用单片机给出的时钟信号控制MAX7490，从而改变中心频率。
带通滤波器的中心频率计算公式：0100CLKf f =（6）2.3 最小二乘法分析方法考查近似函数同所给数据误差大小，常用的方法有以下三种：1、误差绝对值的最大值,即误差向量的—范数；2、误差绝对值的和，即误差向量r 的1—范数；3、误差平方和的算术平方根，即误差向量r 的2—范数。
前两种方法简单、自然，但不便于微分运算 ，后一种方法相当于考虑 2—范数的平方，因此在曲线拟合中常采用误差平方和来 度量误差(i=0，1，…，m)的整体大小。
数据拟合的具体作法是：对给定数据，在取定的函数类中,求,使误差的平方和最小，即∑=mi ir2=[]∑==-mi iiy x p 02min)(从几何意义上讲，就是寻求与给定点的距离平方和为最小的曲线。
函数称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数的方法称为曲线拟合的最小二乘法。
在曲线拟合中，函数类可有不同的选取方法。
三、软硬件设计 3.1 硬件设计3.1.1 信号源模块硬件电路设计该电路由INA2134组成的高性能加法器和纯电阻分压网络组成，实现正弦信号与噪声信号的叠加并将其衰减100倍以上。
四川省大学生电子设计竞赛报告——微弱信号检测装置2012-08图3信号源电路图3.1.2 微弱信号检测模块硬件电路设计根据系统设计要求，设计整体框图如下：图4 微弱信号检测模块框图题目要求微弱检测模块的输入阻抗大于1M，我们采用OPA2227做正向前置放大，后接MAX7490构成的程控带通滤波，中心频率500HZ-2000HZ可调，因为测量峰值小到20mv，所以设计了一个可调放大器。
图5 信号输入通道电路AD630和TL084组成锁相放大电路提取微弱正弦信号，两路相互正交的参考信号由74LS74分频再经过单双极性变化进入乘法器。
图6 双相锁相放大器四川省大学生电子设计竞赛报告——微弱信号检测装置2012-083.1.3 参考信号电路设计采用MSP430单片机输出指定频率的参考信号，由于设计要求2路正交的参考信号，采用移相电路，将一路信号移相输出二路正交信号。
电路设计如图7:图7正交信号发生电路图同时由于MSP430单片机输出的信号是单极性，设计一个将单极性信号变成双极性信号的电路，电路设计如图8:图8 极性变换电路图3.2 软件设计系统设计要求使用TI 的Launchpad（MSP430小开发板）来完成，经过分析采用并口LCD 显示电路后，单片机的控制引脚不够使用。
由于设计时间关系，只能放弃使用串行LCD的方案，改为采用双单片机实现控制和显示功能。
3.2.1 主机程序设计双单片机系统中的主机完成A/D采样、输出参考信号的功能，可通过按键值修改参考信号频率，实现系统对500Hz—2KHz信号的检测，同时将测量到的值及修改后的参数送从机显示。
图 9双机模式主机主程序流程图3.2.2 从机程序设计双单片机系统中的从机接收主机信号，完成测量结果的显示，同时根据主机发送的参数控制程控滤波器。
图双机模式从机主程序流程图图10 双机模式从机通信子程序流程图四、系统测试与结果4.1 系统使用的主要芯片作品采用的TI器件包括：INA2134 OPA2227 TL084 Launchpad（MSP430小开发板）。
4.2 测试仪器表1. 测试仪器仪器名称型号规格数字万用表DT-9208A+RIGOL双踪示波器DS1062C 60MHz 400Msa/sRIGOL函数信号发生器20MHz 100Msa/s直流稳压器DF1731SLL3A记录下测试电压（电流）和现实电阻以及频率，与理论电压（电流）和理论显示电阻、频率进行比较。
4.3基本要求测试1、噪声均方根、加法器输出测试输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz，示波器接在测量点B，测噪声均方根V N(rms)。
示波器接在测量点C，测加法器输出V C =V S+V N。
如表2所示：表2. 噪声均方根、加法器输出测试结果正弦波信号Vs 200mV 1.0V 2.0V噪声均方根1.18Vrms 1.08Vrms 1.11VrmsV N(rms)加法器输出Vc 1.19V 1.2V 1.36V2、加法器带宽测试测量点A输入正弦波信号V S 的峰峰值为1.0V，频率为1Hz—1.5MHz；测量点B不输入信号，示波器接在测量点A及测量点C，测量加法器输入输出信号幅值。
如表3所示：表3. 加法器带宽测试结果正弦波信号频率（Hz）10 100 1000 100000 1500000正弦波信号输入电压1 1 1 1 1（V）正弦波信号输出电压0.194 0.928 1.04mV 1.27V 1.66V（V）加法器带宽3、纯电阻网络衰减系数测试测试点A 输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz ，幅值为2V 峰峰值，示波器接在测试点D ，测纯电阻网络的输出信号幅值。
如表4所示：表4. 纯电阻网络衰减系数测试结果正弦波信号频率（Hz ） 1 kHz 正弦波信号输入电压（Vpp ） 2.0V 纯电阻网络输出电压（Vpp ）10mV 衰减系数2004、微弱信号检测电路的输入阻抗由于微弱信号检测电路的前置放大电路基于同相输入的运算放大器进行设计，同向放大器的输入阻抗和运放的输入阻抗相等，接近无穷大。
前置放大电路如图5所示：-++U1 OP A227R1 1kV1 5V2 5R2 1kR3 100k+VG15、微弱信号测量测试点A 输入正弦波信号Vs ，频率fs =1 kHz ，幅度Vs (p-p)=200 mV —2V ，在测试点E 用示波器显示测试信号，并在显示电路上显示输入正弦信号Vpp 测试值。
表5.微弱信号检测装置误差测试结果正弦波信号输入电压Vs（V）0.2 0.5 1.0 1.5 2显示值(V) 0.25 0.6 0.9 1.35 1.88相对误差（%）25% 20% 10% 10% 6%图5. 前置放大器电路图4.5 结论本系统以双相锁相放大为核心，精确设计电路板，但实验结果不理想，精度达不到题目要求，可能是由于单片机输出的参考信号不能与正弦信号完全同频，或者电路设计还是不够稳定。
五、设计总结及体会通过对信号源模块、锁相放大模块及电源模块电路的设计和MSP430F149单片机软件算法设计，以及系统误差的分析，我们对MSP430单片机和MAX7490、AD630等芯片的工作原理和其应用有了比较深刻的了解。
