微弱信号检测装置的设计

殷大勇

摘 要：随着我国新时代科学技术发展的不断推进，我国信号检测技术也在不断发展，但是在微弱信号检测方面，我国现有信号检测技术还存在一定的不足，需要得到相关科研部门的高度重视，也需要经过相关科研人员的进一步改进，以期我国新时代微弱信号检测技术能够满足新时代经济建设的发展需求，使我国新时代综合科技能力稳步提升。本文重点对我国现阶段的微弱信号检测装置的设计进行探讨和分析，并提出相应的设计方案以供广大信号检测技术研究人员的参考，以期为我国微弱信号检测技术做出积极贡献。

关键词：微弱信号;信号检测;装置;设计

微弱信号检测（ Weak Signal Detection） 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使用电子学、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，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，检测被噪声淹没的微弱有用信号。

一、微弱信号检测技术的相关概述

随着我国新时代科学技术和社会主义生产力的飞速发展，各种对于数据精确度要求较高的物理量的微小变化需要得到及时的测量，比如一些微弱风电流、电压，或者一些微小的温度变化和磁场、振动等，有些微弱信号往往处于一些极端的条件下，这些微弱信号的测量同样十分重要。

在通常情况下，很多的非电量微小物理变化都可以通过特定的传感器经过一系列的转变变为电信号，达到了对微小信号放大的目的，进而进行进一步的显示和记录。但是在实际的应用过程中，这些较为微小的物理量变化即使通过传感器转换也是十分微弱的，二对于这些微弱信号新进行检测的时候，干扰和噪声往往会成为主要的矛盾所在，在基本的科学认识中，物质一般是由院子或者分子等带电粒子所组成，物质若长期存在于一定的温度环境或者其他条件之中时，带电粒子往往会发生热扰动，进而会产生一定的热噪声造成干扰;除此之外，电子电路中的各个电子元件，尤其是半导体器件之中的载流子在再生、复合的过程中会产生一系列的噪声，最为突出的还有依附于半导体器件表面状态的影响的闪烁噪声，还有一些光所产生的量子噪声等等。这些噪声在实际的检测过程中往往会体现为一些噪声电压对检测造成干扰，使微弱信号在这些干扰性的噪声电压中被掩盖。

除了以上所述的几种噪声干扰之外，在实际的检测过程中也会有一些人为造成的干扰或者自然界固有条件造成的干扰，这些噪声与干扰主要是来自于检测系统的外部，在实际的检测操作之中可以运用一些电磁屏蔽技术将检测系统之中的一系列干扰和噪声进行阻隔，使干扰和噪声的影响尽量降到最低。虽然在理论上可以一次方式对检测系统进行改良，但是在实际的检测工作中如果要完全消除或者隔绝这些干扰和噪声是非常难的。而微弱信号检测技术就是对研究和生产过程中的微小变化量进行记录、观察和研究，并从技术层面尽量解决实际检测过程中产生的一系列干扰和噪声对于微弱信号的影响问题。若想在实际检测工作中有效解决干扰和噪声带来的一系列问题就要从微弱信号检测的基础开始研究，在实际的微弱信号检测工作中，放大器或者微弱信号检测系统的机车检测任务就是在检测过程中在众多干扰和噪声中寻找出所需要的微弱信号并进行有效放大。但是在实际操作中，现阶段一般被用于微弱信号检测的放大器并不能将微弱信号从干扰和噪声之中单独放大出来，它往往会把噪声和干扰一并放大，从而根本无法进行有效的检测，在检测中，只有能将信号放大到与噪声和干扰区分开来的放大器才能作为实际检测中有用的工具。如果干扰和噪声在放大的过程中无法与微弱信号区分开或者依然大于微弱信号使微弱信号被掩盖掉，即使不对放大器本身产生的噪声和干扰进行考虑，也不过只能维持放大器中的输入端信噪比，这种放大器并没有以微弱信号与噪声和干扰的基本特性为出发点，只以信号与噪声的特性平均功率作为基本的区分方式，只有充分以微弱信号与噪声和干扰的基本特性为出发点，使微弱信号与噪声和干妹妹绕之间区分开来，才能在实际的检测工作中在噪声和干扰中检测微弱信号。现代微弱信号检测技术得到了很大的发展，尤其在新时代电子技术的高速发展下为微弱信号检测技术的发展提供了基础的物质条件。

二、关于微弱信号检測技术相关原理

对噪声的处理在实际的检测过程中是十分重要的，对于微弱信号的实际检测来说，如果能够有效减轻噪声影响，就可以进一步的提高信号检测系统总体的灵敏度。接下来主要介绍的是锁相放大法。

相敏检波器（phase sensitive detector，简称PSD）作为锁相放大法的核心部分实际上是一种乘法器。经滤波器后，原本加在输入端的信号加到来哦PSD的一个输入端。并且一个与被测信号频率相同的正弦波（或方波）信号也在PSD的参考输入端进行加入。

在正常的检测工作之中，通常参考信号的被测信号的频率与基波频率是基本相等的。此时输出的PSD信号中含有一定的直流成分，经过低通的滤波器处理后，从PSD输出的信号中，交流成分被处理掉，只有直流成分会被顺利的输出，而它的大小一般与参考信号和输入信号的实际相位差有很大关联。

基于由DDS产生的正弦参考信号与被测信号间的相位差未知，可以增加移相电路，将参考信号分解为同相和正交分量，分别与被测信号相乘。

假设他们之间相位差为φ。正交分量与被测信号相乘后，经过低通滤波，得到直流分量。与同相分量和被测信号相乘的结果平方再相加开方后，即可得到与被测信号的幅值成正比的直流分量。

双路锁相放大法的优点非常明显，输出信号与相位差无关，可以得到稳定的直流分量，测量精度可以很高。基于此，本文所介绍的微弱信号检测装置使用这种方法来实现。

在实际计算中，相关人员可以先将测量信号设置为Asin（ωt+α），将噪声设置为n（t）。因为要测量的幅度A很小，因此常常被周围的噪声所淹没。为了提取信号，必须提供其幅度B被确定的相同频率的正弦信号Bsin（ωt+β）。两个信号到达乘法器并执行操作。结果为ABcos（α-β）-cos（2ωt+α+β）+n（t）Bsin（ωt+β）（1）式中，第一项是直流分量，其大小与两个信号的幅度和相位差的余弦成正比;第二项是待测信号的双频信号;第三项是将与待测信号和参考信号同时进入乘法器的噪声相乘的结果，几乎所有这些都是AC信号。因为可以使低通滤波器的通带变窄，因此可以通过低通滤波器滤除将要测试的信号的双频信号与乘以参考信号的噪声相乘的结果。仅剩下直流信号，即ABcos（α-β）。只要两个信号的初相位α和β是已知的，则cos（α-β）是恒定的。因为确定了参考信号的幅度B，因此容易获得待测信号的幅度A，从而实现弱信号的检测。