微弱信號檢測裝置的設計

殷大勇

摘 要：隨著我國新時代科學技術發展的不斷推進，我國信號檢測技術也在不斷發展，但是在微弱信號檢測方面，我國現有信號檢測技術還存在一定的不足，需要得到相關科研部門的高度重視，也需要經過相關科研人員的進一步改進，以期我國新時代微弱信號檢測技術能夠滿足新時代經濟建設的發展需求，使我國新時代綜合科技能力穩步提升。本文重點對我國現階段的微弱信號檢測裝置的設計進行探討和分析，并提出相應的設計方案以供廣大信號檢測技術研究人員的參考，以期為我國微弱信號檢測技術做出積極貢獻。

關鍵詞：微弱信號;信號檢測;裝置;設計

微弱信號檢測（ Weak Signal Detection） 是一門新興的技術學科，應用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、力學、地質、環保、醫學、激光、材料等領域。其儀器已成為現代科學研究中不可缺少的設備。微弱信號檢測技術是使用電子學、信息論、計算機及物理學的方法，分析噪聲產生的原因和規律，研究被測信號和噪聲的統計特性及其差別，檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號。

一、微弱信號檢測技術的相關概述

隨著我國新時代科學技術和社會主義生產力的飛速發展，各種對于數據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過一系列的轉變變為電信號，達到了對微小信號放大的目的，進而進行進一步的顯示和記錄。但是在實際的應用過程中，這些較為微小的物理量變化即使通過傳感器轉換也是十分微弱的，二對于這些微弱信號新進行檢測的時候，干擾和噪聲往往會成為主要的矛盾所在，在基本的科學認識中，物質一般是由院子或者分子等帶電粒子所組成，物質若長期存在于一定的溫度環境或者其他條件之中時，帶電粒子往往會發生熱擾動，進而會產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，尤其是半導體器件之中的載流子在再生、復合的過程中會產生一系列的噪聲，最為突出的還有依附于半導體器件表面狀態的影響的閃爍噪聲，還有一些光所產生的量子噪聲等等。這些噪聲在實際的檢測過程中往往會體現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的外部，在實際的檢測操作之中可以運用一些電磁屏蔽技術將檢測系統之中的一系列干擾和噪聲進行阻隔，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進行改良，但是在實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就是對研究和生產過程中的微小變化量進行記錄、觀察和研究，并從技術層面盡量解決實際檢測過程中產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開始研究，在實際的微弱信號檢測工作中，放大器或者微弱信號檢測系統的機車檢測任務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行有效放大。但是在實際操作中，現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分開來的放大器才能作為實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生的噪聲和干擾進行考慮，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點，只以信號與噪聲的特性平均功率作為基本的區分方式，只有充分以微弱信號與噪聲和干擾的基本特性為出發點，使微弱信號與噪聲和干妹妹繞之間區分開來，才能在實際的檢測工作中在噪聲和干擾中檢測微弱信號。現代微弱信號檢測技術得到了很大的發展，尤其在新時代電子技術的高速發展下為微弱信號檢測技術的發展提供了基礎的物質條件。

二、關于微弱信號檢測技術相關原理

對噪聲的處理在實際的檢測過程中是十分重要的，對于微弱信號的實際檢測來說，如果能夠有效減輕噪聲影響，就可以進一步的提高信號檢測系統總體的靈敏度。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際上是一種乘法器。經濾波器后，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際相位差有很大關聯。

基于由DDS產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。

假設他們之間相位差為φ。正交分量與被測信號相乘后，經過低通濾波，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點非常明顯，輸出信號與相位差無關，可以得到穩定的直流分量，測量精度可以很高。基于此，本文所介紹的微弱信號檢測裝置使用這種方法來實現。

在實際計算中，相關人員可以先將測量信號設置為Asin（ωt+α），將噪聲設置為n（t）。因為要測量的幅度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）。兩個信號到達乘法器并執行操作。結果為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入乘法器的噪聲相乘的結果，幾乎所有這些都是AC信號。因為可以使低通濾波器的通帶變窄，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。因為確定了參考信號的幅度B，因此容易獲得待測信號的幅度A，從而實現弱信號的檢測。