微弱信号检测技术专题

第27卷

第3期2005年6月

电气电子教学学报JOURNALOFEEE

Vol.27No.3

Jun.2005

微弱信号检测技术综合专题实验

卢荣德,杜英磊

中国科学技术大学(

摘

*天文及应用物理系,安徽合肥230026)

要:本文基于应用实践讨论了微弱信号检测原理、检测方法等,设计了近代物理微弱信号检测技术综合专题实验。结合该实验在教学中的

实际应用,总结了此专题综合实验与一般实验方式相比的特点,实际结果表明:综合专题实验改善了高年级本科生或研究生的实验教学手段,提高学生综合应用所学知识解决实际问题的能力,取得了良好的实验教学效果,特别是对于大学生研究能力的提高十分有益。关键词:检测原理及检测方法;综合专题实验;微弱信号检测中图分类号:22;42.423TN7G6

文献标识码:A

文章编号:1008-0686(2005)03-0078-05

ComprehensiveTopicalExperimentsaboutWeakSignalDetectionTechnology

-,-LURongdeDUYinglei

(.o,Un,He230021,C)DeptfAstronomy&ApplicationPhysicsiversityofScience&TechnologyofChinafeihina

:,bAbstractThispapermainlydiscussestheprinciplesandwaysofweaksignaldetectionasedonthe,a.Acapplyingpracticendcomprehensivetopicalexperimentplaninthemodernphysicsisdesignedcording

,ttoteachingexperimentpracticehispapersummarizesthecharacteristicsofthecomprehensivetopical

.Pexperimentcomparedwithcommonexperimentmoderacticalresultshowsthatthiskindofexperiment

,iimprovesexperimentalinstructionmethodforhighgradeundergraduateorgraduatestudentsncreases.heightenstudents'researchability

:;;Keywordsdetectionprincipleandmethodcomprehensivetopicalexperimentweaksignaldetection

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。我们在引进国内外生产的三套实验设备的基础上,从微弱信号检测模型及其方法两个方面,尝试设计微弱信号检测综合专题实验。

,htheircapabilityofsolvingpracticalproblemsasagoodteachingeffectsandisespeciallybeneficialto

0引言

微弱信号检测是一门新兴的技术学科,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,其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备。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躁比。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

1微弱信号检测模型及其检测方法

首先从信号处理系统的信噪比改善角度来简述一下微弱信号检测的原理。信噪比改善的定义输入功率信噪比。以输入SNIR为输出功率信噪比/

系统的噪声为白噪声(电阻噪声)时来讨论SNIR的表达式。如图1中,设信号处理系统的输入信号电压和输出信号电压分别为U和U输入噪声为白噪,siso

修回日期:*收稿日期:2005-03-26;2005-05-19

第一作者:卢荣德(男,安徽庐江人,副教授。从事教学与科研工作,曾发表论文近3译著一部。1968-),0篇,

第27卷第3期卢荣德等:微弱信号检测技术综合专题实验

声,其噪声带宽为B噪声功率谱密度为S则输入,,ini若系统的电压增益为Ku噪声均方值为U2=S·B,ninii系统噪声等效带宽为B则输出噪声均方值(),,fe

1,5]为[:

能。微弱光检测又分为单道(和多道-)SingleChannel两类。前者是以具有单电子峰的光(-)MultiChannel

电倍增管作传感器,采用脉冲甄别和计数技术的光子计数器;后者是用光导摄像管或光电二极管阵列等多路转换器件作传感器,采用多道技术的光学多道分析器(这为。OMA具有时间分辨能力,OMA)动力学过程的研究创造了条件。

计算机处理方法随着计算机应用范围的(3)扩大,原来在微弱信号检测中需要硬件来完成的检

∫

∞

SK(f)df=SK2(f)df=unini

∫

∞

Sni×Be×Ku0

其中:于是可得S=U2/,KuUsNIR为:0s0i

2s0(1)

2SNIR=n0u0niij

U2si=Ku0SniBe=

)

i(代表性仪器有Boxcar平均器)。随着微型计算机的应用发展,出现了信号多点数字平均技术,可最大限度地抑制噪声和节约时间,并能完成多种模式的平均功能。

(2)

离散信号的统计处理在微弱光检测中,由于微弱光的量子化,光子流具有离散信号的特征,使得利用离散信息处理方法检测微弱光信号成为可

测系统,现在可以用软件来实现。利用计算机进行曲线拟合、平滑、数字滤波、快速傅里叶变换(FFT)及谱估计等方法处理信号,提高了信噪比,实现了微弱信号检测的要求。

2专题实验设计

2.1微弱信号相干检测及其应用实验

2.1.1微弱信号相关检测

微弱信号相关检测原理以锁定放大器为例进行讨论。锁定放大器是通过相敏检波利用参考信号与

被测信号的相位锁定来压缩噪声带宽以抑制噪声,从而检测出信号幅值和相位,检测信号可达nV级。

其实际上是互相关的、以相敏检波器PSD为基础的装置,实验原理框图如图2

。

=SNIR)i(3)

则信号改善比:

卷

SNIR=

=(4)

(SNIR)i

锁定放大器的原理实验应以掌握相关检测原理

为重点,以观测、分析相敏检波器的相位特性为主要内容;通过观察、分析相关器的PSD波形以及相关器对不相干信号的抑制作用,从中直观、形象地体会锁定放大器的相敏检波特性;多点信号平均器能从较强的干扰和噪声中提取信号,依据时域特性的取样平均来改善信噪比,复现被噪声淹没的信号波形。2.1.2应用实验专题设计

光声信号由微音器或压电元件转换为电信号,通过一定增益、噪声小的前置放大器放大后,送到下一级锁定放大器,滤除与斩波频率无关的成分后放大输出。采用与PC机过接的模数转换器接口板,捕获瞬间变化的光声光谱信号,可提高光声光谱峰的分辨率。开始时首先根据地址位选择模拟输入通道,然后启动模数转换器,分道轮流采集锁定放大器输出的Psin;、P

;=?@

(D)P

实验方法=本实验中采样程序由C语言编写,选

取的采样间隔分别为E.11EFnG和E.HH21nG。采集数据开始时首先选择模拟输入通道,然后启动模数转换器,分道轮流采集锁定放大器输出的Psin;和P

PIn=(PJKPLJ)M(PLJ

E)K(PJE

)(N)

式中=PIn为波长J处归一化光声信号强度;PI、PIE

为波长J和JE处样品谱的光声信号强度;P

最大值时的波长。利用作图软件用归一化后的光声信号强度对波长作图,从而得到归一化光声振幅谱,同样得到光声位相谱。数据处理的其它方式有取平均、平滑化、求差谱等,皆通过软件来实现。

光声信号的噪声主要来自背景吸收、机械震动和电学系统。在实验条件稳定情况下,各种噪声会带来随机误差。在同一条件下

,反复对同一试样测定m次,对各波长处数据累加后求平均,可将随机误差降低到单次测定1Km。

利用模数转换器高速采样,可方

第2I卷第3期微弱信号检测技术综合专题实验卢荣德等:

导轨,探头安放在导轨上,可以沿导轨作圆周移动范围为0探头及相应的放大器和微机(～120º)。NaI

幅度多道分析器组成了γ光子能谱仪,不同能量的光子进入探头,输出不同的脉冲信号幅度,幅度高对应能量大,在多道分析器的相应道址中显示出来。图4是一个实际测量结果的例子。经过定标的能量谱

仪,各道址能直接给出对应能量值[多道分析器有。5

12、

1024、2048和4096道可供选择。

小波变换时,小波消失矩越高,细节系数的噪声成分越高,源信号成分主要集中在逼近系数中,这是实验所希望的。但是小波的消失矩越高,对应的小波滤波器系数越长,这给计算带来不便。因此,可根据信号的特点选取合适的小波,对X射线衍射信号一般选取具有I小波,具体算法～10阶消失矩的JKLLMNO如下:

信号的小波多分辨率分解利用Pa分(1)MMaO

解算法对被噪声污染的x射线衍射信号进行多层分图4x光散射实验测量结果

2.3计算机处理检测实验设计

80年代以来,计算机已被广泛应用于X射线衍射检测系统中。X射线衍射是测定晶体甚至固体分子结构的最重要工具之一,一般地说,计算机采集到的X射线衍射数字信号包括两部分:(1)检测器对所分析的样品产生响应信号;(2)整个系统(包括X射线衍射的进样系统、分离系统、检测系统、放大系统和模数转换系统等)所带来的噪声信号,任何一个X射线衍射系统都或多或少地存在这类系统噪声。这类噪声污染了与样品有关的真实信号,给衍射峰的检测判别及进一步的数据处理带来了不利因素。所以先对X射线衍射信号进行数字滤波,以获得更真实的衍射信息,提高检测灵敏度。

2.3.1小波消噪方法

为使研究生从事此相关实验,采用小波方法应用于X射线衍射检测系统中实现信号消噪。X射线衍射信号的消噪实现在信号消噪中,合适的小波选取直接影响信号消噪的效果。对于小波函数>(?),若

@AB

CB?

D>(?)E?;DF0,1,G,HC1,我们称小波>(?

)有H阶消失矩,小波的消失矩特性使信号在小波展开时消去了其低阶平滑部分,因此小波变换将仅仅反映信号的高阶变化部分,在噪声污染信号作

解,形成逼近系数和多层细节系数,每次分解过程为相应的重建过程。

(2)

噪声均方差估计及细节系数阈值处理由于噪声污染的X射线衍射信号经小波多层分解后,第一层小波变换的细节系数主要是噪声成分,因此利用第一层小波变换的细节系数进行噪声均方差Q

估计,确定低分辨率参数。

(3)信号重建对处理后的细节系数及逼近系数按PaMMaO

重建算法进行信号重建,即得到消噪后的信号。

2.3.2计算机处理检测实验

本实验使用已安装在计算机内专用的软件,只要双击该快捷键的图标,即可出现一个测量画面,它主要由界面的菜单栏、左边的数据栏和右边的图形栏三部分组成。在菜单栏上选择RSTaUUV,即可进行布拉格衍射实验(如图5所示)。当在X射线实验仪中按下RJWXNV开关(YN)时,软件就开始自动采集和显示测量结果,如图6所示。

图5X射线衍射实验原理图

3结束语

微弱信号检测技术在科研工作及日常生活中应用价值很高,其实验的应用性强。在实验过程中,结合实际现象加之理论指导研究者的收获颇多,主要体现在以下几方面:

(1)

通过微弱信号检测技术实验设计,学习利用

电气电子教学学报

卷

微弱信号检测技术综合专题实验,已在高年级本科实验教学中使用,并且在电类研究生实验教学中尝试运行。使用的结果表明:综合实验改善了高年级本科生或研究生的实验教学手段,提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力,取得了良好的教学效果,特别是对于大学生研究能力的提高十分有益。我们正在尝试设计综合实验的个性化教学功能、网络化的实验管理功能,使之真正成为老师和学生实验的研究手段。

图6X光衍射测量结果

参考文献:

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.Opsystem[C]ticalFiberCommunication

锁定放大器、重复信号的时域平均器以及光学多道分析器、小波消噪法的检测原理和工作特性,掌握从微弱信号中检测有用信号的方法;

在相关检测实验中,通过对信号的调制和解(2)

调以及相敏检波器的实验,学会如何对信号进行调理、放大、滤波以及相敏检测频率相位等方法;在康普顿散射和X光衍射演示实验中,针对(3)

X光的波动和粒子两类特性而设计不同的形式微弱信号检测实验,利用巧妙构思得到不同的检测方法,将两类非电量转化为电量进行测量,从而实现了最终对信号的控制处理目的;

通过对各类实验仪器的操作,掌握了微弱信(4)

号检测技术实验仪器的使用方法,将使综合研究能力大大提高。

上接第7(7页盛利元等文)

3结语

数字图像处理"实验教学的探索及实验教学软"

件的开发,总的教学效果是令人满意的,为电子信息类专业的其它专业课程教学改革提供了宝贵经验,也可供其他兄弟院校相关专业的同类型课程参考。参考文献:

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现[电气电子教学学报,].南京:2001,23(5):55-56J吴蓓.数字图像处理课程实验改革与实验系统的研究[5]李晓辉,

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++数字图像处理第版人民邮[6]何斌等.(2)[.北京:VisualCM]

,2002

徐飞施晓红西安电子[7],..西安:MATLAB应用图像处理[M]

科技大学出版社

电出版社,2002

会讯:全国高等学校电工学精品课程数字化教学资源建设研讨会由教育部高等学校电子信息科学与电气信

日在太原理工大学召开。联系人:孙一兵(会议地点:太原市迎泽西大街10351-6014451);43号铁道大厦。

息类基础课程教学指导分委员会、中国高等学校电工学研究会、高等教育出版社联合主办,将在7月24～28