微弱信號檢測裝置的設(shè)計

殷大勇

摘 要：隨著我國新時代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的不斷推進(jìn)，我國信號檢測技術(shù)也在不斷發(fā)展，但是在微弱信號檢測方面，我國現(xiàn)有信號檢測技術(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)過相關(guān)科研人員的進(jìn)一步改進(jìn)，以期我國新時代微弱信號檢測技術(shù)能夠滿足新時代經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展需求，使我國新時代綜合科技能力穩(wěn)步提升。本文重點(diǎn)對我國現(xiàn)階段的微弱信號檢測裝置的設(shè)計進(jìn)行探討和分析，并提出相應(yīng)的設(shè)計方案以供廣大信號檢測技術(shù)研究人員的參考，以期為我國微弱信號檢測技術(shù)做出積極貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：微弱信號;信號檢測;裝置;設(shè)計

微弱信號檢測（ 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。微弱信號檢測技術(shù)是使用電子學(xué)、信息論、計算機(jī)及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號和噪聲的統(tǒng)計特性及其差別，檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號。

一、微弱信號檢測技術(shù)的相關(guān)概述

隨著我國新時代科學(xué)技術(shù)和社會主義生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，各種對于數(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的測量，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、振動等，有些微弱信號往往處于一些極端的條件下，這些微弱信號的測量同樣十分重要。

在通常情況下，很多的非電量微小物理變化都可以通過特定的傳感器經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)變變?yōu)殡娦盘?，達(dá)到了對微小信號放大的目的，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)用過程中，這些較為微小的物理量變化即使通過傳感器轉(zhuǎn)換也是十分微弱的，二對于這些微弱信號新進(jìn)行檢測的時候，干擾和噪聲往往會成為主要的矛盾所在，在基本的科學(xué)認(rèn)識中，物質(zhì)一般是由院子或者分子等帶電粒子所組成，物質(zhì)若長期存在于一定的溫度環(huán)境或者其他條件之中時，帶電粒子往往會發(fā)生熱擾動，進(jìn)而會產(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)合的過程中會產(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)際的檢測過程中往往會體現(xiàn)為一些噪聲電壓對檢測造成干擾，使微弱信號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)際的檢測過程中也會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自于檢測系統(tǒng)的外部，在實(shí)際的檢測操作之中可以運(yùn)用一些電磁屏蔽技術(shù)將檢測系統(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檢測系統(tǒng)進(jìn)行改良，但是在實(shí)際的檢測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。而微弱信號檢測技術(shù)就是對研究和生產(chǎn)過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)際檢測過程中產(chǎn)生的一系列干擾和噪聲對于微弱信號的影響問題。若想在實(shí)際檢測工作中有效解決干擾和噪聲帶來的一系列問題就要從微弱信號檢測的基礎(chǔ)開始研究，在實(shí)際的微弱信號檢測工作中，放大器或者微弱信號檢測系統(tǒng)的機(jī)車檢測任務(wù)就是在檢測過程中在眾多干擾和噪聲中尋找出所需要的微弱信號并進(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檢測的放大器并不能將微弱信號從干擾和噪聲之中單獨(dú)放大出來，它往往會把噪聲和干擾一并放大，從而根本無法進(jìn)行有效的檢測，在檢測中，只有能將信號放大到與噪聲和干擾區(qū)分開來的放大器才能作為實(shí)際檢測中有用的工具。如果干擾和噪聲在放大的過程中無法與微弱信號區(qū)分開或者依然大于微弱信號使微弱信號被掩蓋掉，即使不對放大器本身產(chǎn)生的噪聲和干擾進(jìn)行考慮，也不過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與噪聲和干擾的基本特性為出發(fā)點(diǎn)，只以信號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與噪聲和干擾的基本特性為出發(fā)點(diǎn)，使微弱信號與噪聲和干妹妹繞之間區(qū)分開來，才能在實(shí)際的檢測工作中在噪聲和干擾中檢測微弱信號?，F(xiàn)代微弱信號檢測技術(shù)得到了很大的發(fā)展，尤其在新時代電子技術(shù)的高速發(fā)展下為微弱信號檢測技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)的物質(zhì)條件。

二、關(guān)于微弱信號檢測技術(shù)相關(guān)原理

對噪聲的處理在實(shí)際的檢測過程中是十分重要的，對于微弱信號的實(shí)際檢測來說，如果能夠有效減輕噪聲影響，就可以進(jìn)一步的提高信號檢測系統(tǒng)總體的靈敏度。接下來主要介紹的是鎖相放大法。

相敏檢波器（phase sensitive detector，簡稱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加到來哦PSD的一個輸入端。并且一個與被測信號頻率相同的正弦波（或方波）信號也在PSD的參考輸入端進(jìn)行加入。

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

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

假設(shè)他們之間相位差為φ。正交分量與被測信號相乘后，經(jīng)過低通濾波，得到直流分量。與同相分量和被測信號相乘的結(jié)果平方再相加開方后，即可得到與被測信號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，輸出信號與相位差無關(guān)，可以得到穩(wěn)定的直流分量，測量精度可以很高?；诖耍疚乃榻B的微弱信號檢測裝置使用這種方法來實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際計算中，相關(guān)人員可以先將測量信號設(shè)置為Asin（ωt+α），將噪聲設(shè)置為n（t）。因?yàn)橐獪y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，必須提供其幅度B被確定的相同頻率的正弦信號Bsin（ωt+β）。兩個信號到達(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，第一項是直流分量，其大小與兩個信號的幅度和相位差的余弦成正比;第二項是待測信號的雙頻信號;第三項是將與待測信號和參考信號同時進(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。因?yàn)榭梢允沟屯V波器的通帶變窄，因此可以通過低通濾波器濾除將要測試的信號的雙頻信號與乘以參考信號的噪聲相乘的結(jié)果。僅剩下直流信號，即ABcos（α-β）。只要兩個信號的初相位α和β是已知的，則cos（α-β）是恒定的。因?yàn)榇_定了參考信號的幅度B，因此容易獲得待測信號的幅度A，從而實(shí)現(xiàn)弱信號的檢測。