微弱信号检测思考题

光电系统微弱信号检测技术及其改进思考
光电系统微弱信号检测技术是利用光学和电子技术相结合，对微弱信号进行精确测量和分析的一种技术。

它广泛应用于光电通信、光谱分析、光学成像等领域。

在光电系统微弱信号检测技术中，主要涉及以下几个方面的改进思考：
1. 提高光敏元件的灵敏度：可以通过改进光敏元件的结构设计，优化电荷转移效率、增加光电流增益等手段，使光敏元件对微弱信号的检测能力得到提升。

2. 降低噪声干扰：噪声是检测微弱信号时的主要干扰源。

可以通过优化光电系统的电路设计、选择低噪声元件、采用滤波技术等方法，降低噪声对微弱信号的影响。

3. 加强光学系统的效率：光学系统的效率直接影响到微弱信号的传输和接收。

可以通过改进光源的亮度、提高光学器件的透过率和反射率等手段，提高光学系统的效率，从而提升微弱信号的检测灵敏度。

4. 开发新的信号处理算法：传统的信号处理算法可能无法有效处理微弱信号的特点，可以考虑开发新的信号处理算法，针对微弱信号的特点进行优化，提高检测的准确性和可靠性。

总而言之，光电系统微弱信号检测技术的改进思考包括提高光敏元件的灵敏度、降低噪声干扰、加强光学系统的效率以及开发新的信号处理算法等方面。

这些改进措施的综合应用有助于提升微弱信号检测技术的性能和可靠性。

物理实验技术中微弱信号检测器的使用技巧探究物理实验技术中微弱信号的检测是一项关键的技术，它在各个领域中都扮演着重要角色。

本文将探究物理实验技术中微弱信号检测器的使用技巧。

微弱信号的检测在物理实验中具有重要意义，它对于测量微小变化、探索微观世界以及提高信号传输的灵敏度至关重要。

然而，由于微弱信号常常受到环境噪声的干扰，因此必须采取一系列技术手段来减小干扰，提高检测的精度和灵敏度。

首先，对于微弱信号的检测器选择至关重要。

在选择检测器时，需考虑信号的特性、频率范围以及实验的具体需求。

常见的微弱信号检测器包括放大器、锁相放大器、光电二极管等。

针对不同的实验需求，选用适合的检测器能够提高信号的检测效果。

其次，信号的传输过程中应注意信号的衰减问题。

在传输过程中，信号可能会受到线路、连接器和缆线等因素的影响而衰减。

因此，选用低衰减率的材料和优质的线缆可以在一定程度上减小信号衰减，提高信号的保真度和强度。

此外，消除信号干扰是提高信号检测精度的关键一环。

干扰源可以是来自环境的噪声，也可以是实验装置内部的干扰。

为了减小来自环境的噪声干扰，可以选择在低噪声环境中进行实验，并使用隔音材料阻隔外部声音。

至于内部干扰，应确保实验装置的接地良好，并合理安排线路布局，避免信号交叉干扰。

另外，提高信号的信噪比也是一项重要任务。

信噪比是指信号与噪声强度的比值，它直接关系到信号的可靠性和精确度。

提高信噪比可以通过增强信号的强度，减小噪声的干扰等手段来实现。

例如，在实验中可以采用冷却技术降低噪声的产生，使用低噪声放大器放大信号。

此外，数据处理和分析也是微弱信号检测的重要环节。

在数据处理中，应使用合适的滤波器对信号进行滤波，以去除不必要的噪声。

数据分析阶段可以使用谱分析仪、频谱图等工具对信号进行进一步分析和挖掘。

最后，进行实验时还应注意实验的稳定性和可重复性。

稳定性是指实验结果的一致性，可重复性是指实验结果的再现性。

为了提高实验的稳定性和可重复性，需要注意一些实验细节，如温度控制、实验仪器的校准、隔离震动等。

《微弱信号检测》练习题1、证明下列式子：（1）R xx(τ)=R xx(-τ)（2）∣ R xx(τ)∣≤R xx(0)2x(t)x(t-τ)≤x2(t)+x2(t-τ)∣ 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R xy(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R xy(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。

第15章微弱信号检测一、单项选择题1、噪声是一种（）A、离散型随机变量B、连续型随机变量C、离散型确定变量D、连续型确定变量2、锁相放大器具有极强的抑制噪声的能力。

锁相放大器是一种利用( )设计的同步相干检测仪A、互相关原理B、自相关原理C、弱相关原理D、强相关原理二、多项选择题1、微弱信号检测的目的是（）A、从噪声中提取出有用信号B、提取小信号C、用一些新技术和新方法来提高检测系统输入输出信号的信噪比D、发现噪声2、以下说法正确的是（）A、电子线路的噪声大都是一种平稳随机过程；B、互相关与几个噪声同时形成干扰有关；C、自相关是随机平稳过程的一个重要特征；D、绝大多数噪声是相互独立的。

3、相关检测分为（）两种情形A、自相关检测B、互相关检测C、弱相关检测D、强相关检测4、以下利用了同步积累法制作的是（）A、同步积分器B、取样积分器C、数字多点平均器D、锁相放大器三、填空题1、微弱信号是相对背景噪声而言，其的一类信号。

2、微弱信号检测的任务是采用电子学、信息论、计算机及物理学、数学的方法，分析，研究被测信号的特点与相关性，对被噪声淹没的微弱有用信号进行。

3、所谓相关检测就是利用的特点，通过的计算，达到从噪声中检测出微弱信号目的的一种技术。

4、同步积累法利用了信号的和噪声的。

四、简答题1、简述自相关检测的原理。

2、简述互相关检测的原理。

3、简述相干检测的原理。

4、什么是微弱信号检测？5、微弱信号检测的目的是什么？6、什么是噪声？7、简述锁相放大器的组成与工作原理。

8、同步积分器、取样积分器、数字多点平均器各自适用的条件是什么？第15章 微弱信号检测一、单项选择题二、多项选择题三、填空题四、简答题1、答：实现自相关检测的原理如图A.8所示。

图A.8 自相关检测原理框图设输入信号()x t 由被测信号()s t 和噪声()n t 组成，即：()()()x t s t n t =+。

()x t 同时输入到相关接收机的两个通道，其中一个通过延时器使其延迟一段时间τ。

大学物理近代实验思考题一1．夫兰克－赫兹实验测出的汞原子的第一激发电位的大小与F－H管的温度有无关系？为什么？答：夫兰克赫兹实验所测出的汞原子的第一激发电位与F－H管的温度是没有关系的。

因为虽然当温度升高，会使管内的热电子数量增加，从而导致曲线峰电流增大，曲线位置受影响向上移动，但是Vg是一定的，汞的第一激发电位为4.9V不变。

即：由汞原子能级的结构决定了第一激发电位。

2．在夫兰克－赫兹实验中，为什么IA－UGK曲线的波峰和波谷有一定的宽度？答: 因灯丝发射的电子初动能存在一个分布，且灯丝发射的电子其能量分散小于零点几个电子伏特；电子加速后的动能也存在一个分布，这就是峰电流和谷电流存在一定宽度的原因。

3:为什么IA－UGK曲线的波谷电流不等于零，并且随着UGK的增大而升高？答：1.波谷电流不为零是因为：电子在栅极附近跟汞原子发生碰撞存在一定的几率，因此总有部分电子没和汞原子发生碰撞而直接到达A 级从而形成电流。

故其不为0。

2.波谷电流随着UGK的增大而升高是因：随着UGK的增大，在栅极附近没和汞原子发生碰撞，而直接到达A级形成电流的电子数量会不断增多，从而使波谷电流增大。

4题分析，当电子管的灯丝电压变化时，IA－UGK曲线应有何变化？为什么？答：若电子管的灯丝电压变大时，电子动能也会变大，从而使得电子为第一激发势时还有剩余动能；与汞原子碰撞之后剩余的能量越多，能够克服拒斥电场到达A极的电子就会越多，而极板间电流也就越大，所以在汞的第一激发势固定为Vg间隔时，曲线越尖锐。

反之亦然！5题：电子管内的空间电位是如何分布的？板极与栅极之间的反向拒斥电压起什么作用？答：电子馆内的电位分布为：Vk>VG1=VG2>VA；反向拒斥电压的作用为：挑选能量大于UGA的电子，从而冲过拒斥电压形成通过电流计的电流。

6题：RE:在夫兰克-赫兹实验中，提高灯丝电压，IA-UG2A会有什么变化？为什么？若提高拒斥电压，IA-UG2A会有什么变化？为什么？答：提高灯丝电压，电子获得的动能增加，电子数增加，克服拒斥电压后将有较多电子形成电流，所以曲线电流幅度加大；而拒斥电压增加，能克服它的电子数将减少，电流也减小，所以曲线幅度也就减小了。

第15章 微弱信号检测一、单项选择题二、多项选择题三、填空题四、简答题1、答：实现自相关检测的原理如图A.8所示。

()ss τ图A.8 自相关检测原理框图设输入信号()x t 由被测信号()s t 和噪声()n t 组成，即：()()()x t s t n t =+。

()x t 同时输入到相关接收机的两个通道，其中一个通过延时器使其延迟一段时间τ。

经过延迟的()x t τ-和没有经过延迟的()x t 均送入乘法器中，乘法器输出的乘积经积分器积分后输出平均值，从而得到相关函数曲线上一点的相关值。

如果改变延迟时间τ，重复前述计算就能得到相关函数()R τ与τ的关系曲线，即得到自相关输出为：()()()()()()()1lim2Txx sssnnsnnTT R x t x t dt R R R R Tττττττ-→∞=-=+++⎰根据互相关函数的性质，信号()s t 与噪声()n t 不相关，且噪声的平均值应为0，于是有：()0sn R τ=，()0ns R τ=。

且随着τ的增大，()0nn R τ→，即对于足够大的τ，可得()()xx ss R R ττ=。

这样，就得到了信号()s t 的自相关函数()xx R τ，它包含着()s t 的信息，从而可检测出有用信号。

知识点：相关检测法2、答：实现互相关检测的原理如图A.9所示。

()xy τ图A.9 互相关检测原理框图输入信号为两路：()()()x t s t n t =+为被检测信号()s t 中混入了观察噪声()n t ，()y t 为已知参考信号，要求与被测信号相关（如同频），而与噪声无相关性。

输入经延时、相乘、积分及平均运算后，得到互相关输出为：()()()()()1lim2Txy synyTT R x t y t dt R R Tττττ-→∞=-=+⎰由于参考信号()y t 与信号()s t 有某种相关性，而()y t 与噪声()n t 没有相关性，且噪声的平均值为0，只要T 足够长，一定有()0ny R τ=，则：()()xy sy R R ττ=()xy R τ中包含了信号()s t 的信息，这样，就可实现对待测信号()s t 的检测。

第六单元 弱信号测量技术 实验6-1 锁相放大实验随着科学技术和生产的发展，需要测量许多物理量的微小变化，例如：微弱电压、电流、磁场的变化，微小温度的变化，微小的电感，微小的电容，微小的位移、振动等，特别是极端条件下的微弱信号的测量，成为深化认识自然，开拓新材料、创造新器件的基础。

对上述微小变化的测量通常我们可以用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行放大，再被我们显示和记录。

但由于这些微小的变化通过传感器转换成的电信号十分微弱，各种条件下的噪声和干扰很可能将这些微弱信号淹没，因此单纯的使用放大器将其放大，并不能将这些信号检测出来，因为一般放大器将噪声和干扰一起放大，而且由于放大器本身的噪声会将我们需要的信号淹没得更深。

由上述原因我们发现对于弱信号的检测用一般检测工具无能为力，但同样我们发现噪声和干扰是问题的关键。

如何在检测过程中将噪声和干扰去掉，只保留信号本身是解决弱信号的基本思路，从信号和噪声本身特性出发目前人们可以使用的基本方法有：a. 同步积累： 这种方法的要点在于将信号多次重复。

由于信号是周期性的重复，噪声不具有这一特性，每个周期的信号受到的噪声干扰不同，只要把这些受到不同干扰的信号多次重复，互相对照，就可以识别信号的原形，积累后的信噪比提高n 倍。

R XX (τ)=⎰-∞→-TTT dt t x t x T)()(21lim τb . 相关接收： 信号在时间轴上前后的相关性这一特点是利用作为微弱信号检测的基础，相关函数是线性相关的度量。

R XX (τ)=⎰-∞→-TTT dt t x t x T)()(21lim τ是自相关函数，它是度量一个随机过程在时间t 和t-τ两时刻线性相关的统计参数，当函数x(t)不包含周期性的分量，自相关函数R XX (τ)将从τ=0的最大值随τ的增大单调下降，到τ→∞，趋近于函数x(t)平均值的平方，与此相似Rxy(τ)=⎰-∞→-TTT dt t y t x T)()(21lim τ表示互相关函数，如果两个随机过程的发生完全没有关系(例如信号和随机噪声)互相关函数将是一个常数。

锁相放大器的原理实验报告摘要：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。

微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。

它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。

锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。

它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号.锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。

本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性,掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。

关键词：锁相放大器；微弱信号放大;PSD输出波形；谐波响应一、引言随着科学技术的发展,科学研究领域向宏观和微观不断深入，常常需要检测极微弱的信号，如物理学中的表面物理特性,光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱,生物学中的细胞发光特性、生物电的测量等。

在这些测量过程中，待测的微弱信号常常淹没在强大的背景噪声之中，使用常规的检测手段就无法达到目的。

而且随着科学的发展，对实验数据的可靠性、准确性、精确性的要求也越来越高，因此，微弱信号的检测就越来越重要,自60年代初开始，关于信号检测与处理的技术开始产生并迅速发展，现已逐渐形成一专门的边缘科学，在物理、化学、生物、天文、地质、医学、材料等学科领域得到广泛应用。

锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA)就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。

它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号，能测量到输入信噪比低至10—5的微弱正弦量.自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。

目前全世界已有多个厂家生产该仪器本实验使用由南京微弱信号检测中心研制的微弱信号综合实验仪来介绍锁相放大器的基本工作原理与使用方法,通过本实验可以了解锁相放大器的基本特点和应用方向。