基于相關(guān)原理的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究

尹晶晶++張心全

摘 要：闡述了相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的原理，在LabVIEW軟件中設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：基于相關(guān)原理的實(shí)驗(yàn)方案完全可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)的提取。

關(guān)鍵詞：相關(guān)原理；微弱信號(hào)；檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）11-154-2

0 引言

在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到檢測(cè)毫微伏級(jí)信號(hào)的問(wèn)題，如進(jìn)行紅外探測(cè)以及生物電信號(hào)的測(cè)量等，這些問(wèn)題都?xì)w結(jié)為噪聲中微弱信號(hào)的檢測(cè)，所以微弱信號(hào)檢測(cè)成為了許多科研都必須面對(duì)的問(wèn)題。常用的微弱信號(hào)檢測(cè)方法有[1、2]：①相關(guān)檢測(cè)法；②時(shí)域信號(hào)的平均處理法；③離散信號(hào)的計(jì)數(shù)處理法；④計(jì)算機(jī)處理方法。其中，相關(guān)檢測(cè)技術(shù)為頻域信號(hào)的窄帶化處理，用于檢測(cè)單一頻率的微弱信號(hào)，在諧波檢測(cè)等各種領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。

1 相關(guān)檢測(cè)技術(shù)原理

設(shè)測(cè)信號(hào)為Asin（ωt+α），噪聲為n（t）。由于待測(cè)幅值A(chǔ)很小，常常被周圍的噪聲淹沒(méi)。為了提取該信號(hào)，需要提供一個(gè)同頻率的正弦信號(hào)Bsin（ωt+β），其幅值B是確定的。兩路信號(hào)到達(dá)乘法器，進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果為ABcos（α-β）-cos（2ωt+α+β）

+n（t）Bsin（ωt+β） （1）

式中，第一項(xiàng)為直流成分，大小與兩信號(hào)幅值及相位差的余弦成正比；第二項(xiàng)為待測(cè)信號(hào)的二倍頻信號(hào)；第三項(xiàng)為與待測(cè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入乘法器的噪聲和參考信號(hào)相乘的結(jié)果，幾乎都是交流信號(hào)。由于低通濾波器的通帶可以做得很窄，經(jīng)過(guò)低通濾波器，待測(cè)信號(hào)的二倍頻信號(hào)和噪聲與參考信號(hào)相乘的結(jié)果可以被濾掉，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。由于參考信號(hào)的幅值B是確定的，那么很容易得到待測(cè)信號(hào)的幅值A(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)。

2 微弱信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述原理，在LabVIEW軟件中進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。設(shè)置待測(cè)信號(hào)頻率為1KHz，其幅度為1mV，噪聲（假設(shè)噪聲為具有普遍意義的高斯白噪聲）幅度也為1mV，兩者幅度之比為1：1，其波形如圖2所示。

設(shè)置參考信號(hào)的頻率必須與待測(cè)信號(hào)相同，其幅度可自行設(shè)置，這里設(shè)置為10V。兩信號(hào)的初相均設(shè)置為0，可知cos（α-β）=1，輸出結(jié)果為AB。仿真實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)如圖3所示，其中Simulate Signal為待測(cè)信號(hào)，下面的Simulate Signal2為參考信號(hào)。兩信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法器進(jìn)入低通濾波器，設(shè)置低通濾波器為5階Butterworth低通濾波器，其截止頻率為0.1Hz。經(jīng)過(guò)低通濾波后的數(shù)據(jù)分別進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示窗口和波形顯示窗口。在進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示窗口之前，數(shù)據(jù)擴(kuò)大了1000倍，以便顯示。另外，乘法器的輸出直接送給了波形顯示框口，目的是為了以便觀察相乘器的輸出結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)的顯示其前面板如圖4所示。白色信號(hào)為乘法器的輸出信號(hào)，紅色信號(hào)為經(jīng)過(guò)低通濾波器之后的信號(hào)，右側(cè)數(shù)據(jù)顯示窗口所顯示的即為該信號(hào)的大小。

所顯示的數(shù)據(jù)為5，即有AB=5（mV），其中參考信號(hào)的幅度B=10（V），可以計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的幅度為A==10（V）=1（mV），可見(jiàn)和所設(shè)置的待測(cè)信號(hào)的幅度是一致的。為進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)檢測(cè)提取微弱信號(hào)的能力，下面把待測(cè)信號(hào)的幅度降低為0.1mV，噪聲幅度保持不變，參考信號(hào)的幅度以及低通濾波器的參數(shù)均保持不變。信號(hào)如圖5所示，可以看出，信號(hào)完全被淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲背景下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

數(shù)據(jù)顯示窗口所顯示的數(shù)據(jù)為0.51，根據(jù)AB=0.51×10，可以求得待測(cè)信號(hào)的幅度A=0.102mV，與實(shí)際所設(shè)置的幅度（0.1mV）略有偏差。然后把低通濾波器的截止頻率由0.1Hz設(shè)置為0.01Hz，輸出信號(hào)可以穩(wěn)定地顯示0.5，但輸出信號(hào)的穩(wěn)定需要一段時(shí)間，這是由于積分常數(shù)設(shè)置較大的緣故。在實(shí)際中，應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)設(shè)置積分常數(shù)。

3 結(jié)論

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于相關(guān)原理的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下信號(hào)的提取，為當(dāng)前微弱信號(hào)檢測(cè)提供了一條行之有效的途徑?；谙嚓P(guān)原理的微弱信號(hào)檢測(cè)儀已經(jīng)出現(xiàn)，但價(jià)格昂貴。充分利用軟件，設(shè)計(jì)基于軟件的微弱信號(hào)檢測(cè)儀可以大幅度降低設(shè)備成本，提高儀器的智能化程度等。充分發(fā)揮軟件在儀器儀表中的作用，已成為了當(dāng)前智能儀器儀表的發(fā)展趨勢(shì)之一。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 戴逸松.微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及儀器[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

[2] 曾慶勇.微弱信號(hào)檢測(cè)[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，1986.