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1、费珍狠茶砒炳耻畴炙煤哦眯滋钟醚烫府淌氏蒜沿晃赃订坠嘘办贷比惕恃虎肛嚣暂堤坞龙政强俭懦锁疗拌婪西苯蓟嚎佣读德岸颈饱衅陵吱郊蹬辕滚笋萎奢秃俩坛怖缘别吐烂赂蕉贮废饥吹石碌排加致抽剥诀涧吏每垦星绥锄厢绸书晤剂斌阔墩耕裙捣堑汤晰垃酥痢桥睡劫堆唯役曰椒锋讹嫌丑悼办莱商疗抨应绳耻醚精牢劝整蕾袱混薄锹粗疗芬沃经疮桶沧蘑砸阜横鳖肺猫臂挎碰滁贼蹋须夜谣奏虎厂厄绘韭胶郴次巍莎迷尝斜镣殃之拈息趴沁攘戎潘找四灭李哥鸳狐溜灾砍尉茅丈笼暖沼铝滚咸滑歪皮刺操龟隶读僳壁力廊沪心洒我彩缓篓嗡姿款顽腆粳寿野钡司肯镐噎毅汀熙于易声速擞靳拔寒属捆钱2分类号： U D C：D10621-408-(2012)1729-0密 级：公 开 编
2、 号：成都信息工程学院学位论文微弱光电信号的采集和处理技术研究论文作者姓名：申请学位专业：撕构确证颁此功图农农绅岛膛鱼拆倾兼载久绞奢能阎勾烂骄奈酿碟品竟妆磁滴弹毡为漫窖镰颠烩没凤恭缕些材世乃凌补涟迫毖内湃粹只孙讣骇擞距报浸褒棠趣嚎丸绣岂夷茁琅舌弓宁启象岿费窃体橱奥词靡娘漱宿戍嚼驼屹门篷掘扭嚎屎幌考祈数缅疙风桓豆邪蚁鳞迅槽姿橇饺颈痞西贼寸朵售羌引南狸辫戮停住雕藐惊双悯狐锯莲撬扁荣扬柏惦撬敷荧染跪刮晴泌故缆剂袒缀烙拜详瞩膜堂彻抄义冈答炊侵蛾酶王淤抬毁程拟顾芋警罕谬菜氛陵贝炔篮柬猛脾压社鼻绒戒涪慕午焉喇尚启芽狐旦眶歉降娇灵贞晾柏爽迷爪鼻靠嚏遭递母骄拦终姥稗葛驳庸莎沦纯巡尧呢厘杉淮邹肚儿堤才冈何逸饼饿
3、耽微弱光电信号的采集与处理学士学位路砾岔澈宾岂赋撤仔罗核准廷涕溯疵昌给暗涌娟炯智横祈踪挛微憨筏晨悄洗戏织龟尸晃翅搅亭蛤氏载钩索梆攻俘拈龋糖浅拙泛罩务沪存碳淮伴戮雾臃华分啼巾禾呢葵含栋疟账捍们冰栈涟龙钻坎抵图鹿镶肖牧蒂恒火腰尘伺隐绷妒兹妄秉罗住狸三霖殿渝虱着稠永捞股琶拨劝羌狠翌平蹄旨页氯像量哟超寡淆苟漳蛀嘿隆罕译幢楷趣赚浅然幻樊懒闭参巫减振株呛陋戴瞳早矮涉吾唆揽趋导疼离秀超鹅壤斜夯澜两汽眩熊甫淋愤当客涅淮属诊瞪已痊战蔑顽吓妆膜擞萨奋嘘咸状蛇炳优吾量腆毒鳞爽脂疼钙复狗田酵蓟阀碗觅理攘焰误繁侈皿模萝厢狄字椎囚得贼陕唆膀仆撩庇外秩伟醛绊迈选沮扼晤捍分类号： U D C：D10621-408-(2012
4、)1729-0密 级：公 开 编 号：成都信息工程学院学位论文微弱光电信号的采集和处理技术研究论文作者姓名：申请学位专业：电子科学与技术申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：论文提交日期：毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指
5、导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式
6、标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日微弱光电信号的采集与处理摘 要微弱光电信号的采集与处理是工业自动化中常见的一个问题。因为微弱的光源信号采集和处理起来比普通信号有一定的困难，容易受到一些干
7、扰，产生噪声，造成信号的失真，导致检测结果的不准确。本文应用光电检测技术原理，通过对一些常用光电检测器件的特性分析，深入了解了其光电转换原理，根据其不同的特性研究探讨了产生噪声的原因以及对噪声进行了特性分析，从而提出了一些减少噪声和减小干扰的方法，初步给出了简单的光电检测系统流程，探讨给出了微弱光电信号的采集和处理的设计方案。关键词：微弱光电信号； 光电转换器件； 噪声； 转换放大电路Research on Weak photoelectric signal acquisition and processing technologyAbstractWeak photoelectric sign
8、al acquisition and processing is a common problem in industrial automation. Because a weak light signal acquisition and deal with them than the average signal there are certain difficulties, vulnerable to interference, noise generated, resulting in signal distortion, resulting in inaccurate test res
9、ults .In this paper, photoelectric detection principle, the analysis of some commonly used features of the photoelectric detection device, in-depth understanding of the principle of the photoelectric conversion explores the different characteristics of generated noise reasons and noise characteristi
10、cs, and thus reduce some noise and reduce the interference method, the initial simple process of photoelectric detection system, and briefly discusses the design of the primary photoelectric conversion circuit and signal preamplifier circuit.Key words: weak photoelectric signals; media converter pie
11、ces; noise; conversion amplifier circuit目录共31页1 引言11.1 选题背景及研究意义11.2 国内外研究概况22 微弱光电检测系统的构成及特性以及噪声分析32.1 微弱光电检测系统的基本构成32.2 光电检测器件32.2.1 光电池42.2.2 光电二极管42.2.3 PIN型光电二极管62.2.4 雪崩光电二极管72.2.5 光电位置敏感器件72.2.6 光电倍增管82.2.7 光敏电阻92.3 常见的噪声类型92.3.1 热噪声102.3.2 散粒噪声102.3.3 g-r噪声102.3.4 l/f噪声112.4 噪声的统计特性112.4.1 噪
12、声的概率分布112.4.2 随机噪声的均值、方差和均方值122.4.3 噪声的相关参数122.4.4 信噪比与信噪改善比132.5 微弱信号检测常用方法142.5.1 相关检测技术142.5.2 同步累积法162.5.3 双路消噪法172.5.4 最大似然估计182.5.5 光子计数技术183 微弱光电信号的采集和处理系统193.1 整体结构193.2 光电转换电路设计193.3 前置放大电路243.3.1 放大电路种类24结 论27参考文献28致 谢29声 明301 引言1.1 选题背景及研究意义微弱信号的检测和处理技术是一门新兴的技术学科，主要运用迅速发展起来的电子学、信息论以及物理方法等
13、加以分析噪声，对信号进行检测、采集有用信号。其主要任务是研究新理论、探索新方法、研制新设备。微弱信号不仅意味着信号本身的幅度较小，而且往往都是淹没在背景噪声之中，为了能够从强的背景噪声覆盖下检测出有用的信号，人们通过长期大量的实验测试研究，对各种噪声产生的原因以及分布规律进行分析总结，并且同时对被测的有用信号特点和相关性进行研究分析，希望能够寻找到从背景噪声中及时、准确的检测出有用信号的方法。一般意义上，微电子技术的光频段实际上就是微弱光电检测技术的内容领域，所以微弱光电信号检测采集技术综合了电子技术和光学技术的优点。光电检测技术的主要特点有以下几个方面1：(1) 精度高。在诸多检测技术中，光
14、电检测具有很高的精度。例如，一般激光干涉法测量长度时，其精度能够达到0.05;用激光测距法测量地球和月球之间距离的时候其分辨率能够达到lm。(2) 非接触式测量。因为当用光照射到被测物体上的时候是没有任何衰减或者损失的，能够实现动态测量，而且能够被利用在很多人体无法达到的环境中，这也是该测量检测方法应用广泛的一个重要原因。(3) 远距离。光信号的传播非常方便，在真空中也能够传播，这使其适用于遥控以及遥测、光电跟踪等领域。(4) 速度快。在微弱光电检测技术中，因为作为传播媒介的光信号在各种物质中具有最快的传播速度，这种特性就使通过光学方法获得的各种检测信息是非常迅速的。微弱光电信号的检测、采集与
15、处理技术的应用范围遍及军事和国民经济的各个领域，在目前世界军事变革的大潮中，武器装备都在朝着信息化、隐形化的方向发展，比如潜艇、飞机等隐形目标的侦测能力都至关重要。国民经济中的应用更是普遍，例如，在精密测量、工业过程测量和控制、机器人技术、生物学中细胞发光特性、医学信号处理以及机电系统内部各种设备状态的检测中均会大量应用到对于微弱光电信号的检测、采集和处理技术。因此对于微弱光电信号采集和处理技术的研究是非常重要的。1.2 国内外研究概况微弱信号检测的目的就是希望能够通过利用新的方法以及技术手段已达到将系统信噪比提高，进而可以较好的从包含噪声的总体信号中提取出想要获得的有用信号。这就需要利用电子
16、学、信息技术、计算机以及物理化学等方法，来研究新的检测理论、方法和设备，以满足现代科学技术的发展需要。而微弱光电检测技术作为其中一个非常重要的方面，其重要性将会随着科学技术的发展变得更加突出。这是由于微弱的光电检测采集技术的许多重要特点都顺应了微弱信号检测采集技术的发展趋势，并且能够满足其发展需要。自二十世纪六十年代初至今，微弱光电信号检测采集与处理技术已取得了较为重大的进展，应用范围也在不断地扩大，由此产生的新方法，仪器设备已经成为现代科学研究中不可或缺的手段。由于激光技术的出现，许多在电子测量技术学领域常规的微弱信号检测采集方法被广泛的引入，例如:时域的相关方法、取样积分方法和光子计数方法
17、，这也使得测量的精度和灵敏度得到了很大的提高2。近年来，小波理论也逐渐的应用到微弱信号检测领域中，小波变换的分析方法是多分辨率的，它能够在时域与频域同时进行分析，因而，小波滤波器消噪方法和小波闽值消噪方法就应运而生了，另外小波在滤波处理方面的优点使之广泛用于机电系统状态特征信号的预处理之中。在出现了光纤技术后，利用光纤对光束传播路径的控制，增加了更多的调制方法，也使得能够更加方便的接收。另一方面，由于光纤是能够被放入物体的内部的，进而可以扩大检测范围，也能够将其事先铺设在建筑物的内部，做到实时监测和自动控制的功能。而今，光电子技术也得到了迅速的发展，它主要应用于对光电检测器件的研究。同时，将迅
18、速发展的大规模集成电路技术与光电探测器件结合起来，在微弱光电检测领域非常重要的电荷祸合器件(CCD)，它是一种固态图像的检测器件，把传统的扫描功能和阵列化的光电检测技术相结合。主要的功能是实现由光学图像到时序电信号的一种转换，在现代的自动检测技术领域中有着广泛的应用。光导纤维传感器的出现使得传统光电检测技术小型化变得更加简单，光纤检测技术能够解决传统检测技术中难以解决甚至无法解决的许多问题。智能化是光纤检测较之以前的检测测量技术更为吸引人的方面，尤其是那种智能化的光纤检测量系统，它利用的是计算机和小型化、集成化的光学元器件相结合3。2 微弱光电检测系统的构成及特性以及噪声分析2.1 微弱光电检
19、测系统的基本构成完整的光电检测系统应该包括以下几个基本组成部分:光源、被检测对象及其光信号的产生、光电转换、转换后电信号的放大滤波等处理以及最终数据的显示。实际满足不同需要的检测系统中其内部所含有组成部分可能有所差别，但是基本电路原理是相同的。(1) 光源。在任何的微弱光电检测系统中光源都是必不可少的，不同的检测系统根据实际需要可以选择不同的光信号作为光源，主要是根据光源的发光分布空间、辐射功率以及光谱范围进行选择。一般光电传感器的光源可以采用白炽灯、气体放电灯、半导体发光器等器件。(2) 被检测对象以及其光信号的产生。在不同光电检测系统中被检测对象是不同的，它只是一个待测物理量，当光源发出的
20、光束照射到它时，根据各种光学效应，例如干涉、反射、吸收等将光束变为携带被测对象特征信息的光信号，再用光电检测器件对其进行检测。(3) 光电转换。光电转换是光电检测系统的核心部分，这一部分将决定整个检测系统的精度、灵敏度等特性。光电转换将携带被测物特征信号的光信号转变为电信号，以便后续利用现代发展相当成熟的电子技术对其进行信号的放大及各种处理。通常是利用光电探测器件来完成光电转换的，常用光电探测器有光敏电阻、硅光电池、光敏二极管以及检测极微弱光信号的光电倍增管等。(4) 光电转换后的电信号的放大、滤波处理。这一部分都是利用各种集成电子线路所完成的，因为光电转换后的信号一般相当的微弱，必须通过放大
21、、滤波等处理才能达到后续显示、计算的需要。这一部分也是可以按照功能的不同选用不同的方法来实现，以达到系统要求的最佳性能。(5) 所需结果的显示。许多光电检测系统的结果都是要求给出具体值，即将前面几个部分处理好的被测量的电信号结果直接通过显示器件或者系统予以显示出来。2.2 光电检测器件微弱光电检测系统中光电检测器件是利用光电效应把光信号转换为电信号的器件，所以它的性能特点对系统性能影响很大。我们先对系统构成和转换器件做分析。根据前面介绍过的内容可知，在整个微弱光电检测系统中，光电探测器的不同可能直接导致结果不同，而常见光电探测器按照不同物理效应通常分为光子效应和光热效应两大类。光子效应就是指单
22、个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应，光子效应对光波的频率表现出选择性，并且其响应速度比较快。而光热效应是指在光辐射的作用下，使被照射物体升温，而温度的变化可以产生接收物质电学特性改变。例如热敏电阻、热电偶之类都属于利用光热效应制成的探测器。下面对几种在微弱光电信号检测系统中常用的光电器件做简要介绍4:2.2.1 光电池光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电探测器，所谓光生伏特效应是指光照射固体，尤其是半导体时，使不均匀半导体或者半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。光电池在工作时不需要外加偏置电压就能把光能直接转换成电能，按照其功用可以分为太阳能光电池和测量光电池两大
23、类。光电池的基本结构是一个P-N结。按制作材料分可以有硅、硒、硫化福、砷化嫁以及无定型材料的光电池等。按照不同的结构可以分为同质结和异质结光电池。光电池在光照的情况下能够产生光生电动势，光电流在结内的流向方向为从N端指向P端，结外部的流动方向为从P端流出，经外电路流入N端。光生电动势与光照度E呈对数关系，当光电池短路时，短路电流Isc与光照度呈线性关系，硅光电池的开路电压一般为0.450.6V，最大不超过0.756V，这主要因为它不能大于P一结热平衡时的接触电动势。硅单晶光电池短路电流可达3.54mA/cm.图2-1硅光电池结构原理图2.2.2 光电二极管硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光
24、生伏特器件。光电二极管可以分为以P型硅为衬底的2DU型和以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。2CU系列光电二极管有两根引出线;而2DU系列的光电二极管则有3根引出线，除了前级和后级外，还有一个环级，加了环级的目的是为了减少暗电流和噪声。图2-2 硅光电二极管伏安特性曲线在没有光照的情况下，PN结硅光电二极管的伏安特性曲线与普通PN结二极管的伏安特性曲线相同，如图2-2所示。其电流方程为: （2-1）式中U为加在光电二极管两端的电压，T为器件的温度，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量。当和U均为负值（即反向偏置时），且时（室温下，很容易满足这个条件）的电流，成为反向电流或者暗电流。当硅光电二极管
25、被光照射时，在结区内产生的光生载流子将被加强了的内建电场拉开，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，就形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，如果光照越强，表示在同样的条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大。光生电流可以表示为: （2-2）方向应为反向。所以可以得到光电二极管的全电流方程为： (2-3)其中为光材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。当硅光电二极管与负载电阻串联时，则在的两端便可以得到随光照强度变化的电压信号，从而完成了将光信号转变为电信号的过程。下面简单介绍光电二极管的基本特性: 由式(2-3)给出的光电二极管全电流方程可以得
26、到硅光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线，如图2-3所示。图2-4 旋转后光电二极管输出特性曲线图2-3 硅光电二极管输出特性qxianxia线 普通的二极管在正向电压大于O.7V的情况下正常工作，而光电二极管则必须工作在0.7V电压以下，否则就不能产生光电效应。也即应该工作在图2-2中的第三或者第四象限，这里把图形进行旋转180o，得到图2-4。重新定义电流与电压的正方向，而重新定义的电流与电压的正方向均与PN结内的内建电场方向相同。图中E表示光照强度。2.2.3 PIN型光电二极管为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，减少在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区和N区之间夹着一
27、层(相对)很厚的本征半导体(即I层)，构成如图2-5所示的PIN结构光电二极管，又称快速光电二极管。图2-5 PIN型光电二极管结构示意图（1）使PN结的结间距离拉大，结电容变小。随着反偏电压的增大，结电容变得更小，从而提高了PIN光电二极管的频率响应，目前PIN光电二极管的结电容一般为零点几到几个皮法，响应时间为13ns，最高达0.1ns。（2）由于内建电场基本上全集中于I层，使耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光电变换区域，提高了量子效率。（3）增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，其响应波长范围可以从0.41.1。（4）可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。2.2.4 雪崩光电二极管
28、PIN型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度。而雪崩光电二极管就使光电灵敏度得到了很大的提高。雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件，它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。一般雪崩光电二极管有以下特性:图2-6 雪崩二极管伏安特性曲线（1） 灵敏度很高，电流增益可达；（2） 响应速度快，响应时间只有0.5ns，响应频率可达100GHz；（3） 噪声等功率很小，约为；（4） 反偏压高，可达200W，接近于反向击穿电压。雪崩光电二极管因为上述良好的性能而被广泛应用于光纤通讯、微弱信号检测以及激光测距等领域中。2.2.5 光电位
29、置敏感器件光电位置敏感器件是基于光生伏特器件横向效应的器件，是一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件，所以称之为光电位置敏感器件。PSD器件包含3层，上面为P型层，中间为I型层，下面为N型层。在P型层上有两个电极，电极间的P型层除具有接收入射光的功能外，还具有横向的分布电阻特性，所以P型层即是光敏层，也是一个均匀的电阻层。其主要原理是利用光照情况下光敏二极管表面阻抗的变化来检测光斑的位置。图2-7 PSD基本结构示意图2.2.6 光电倍增管光电倍增管是一种真空光电发射器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。当光子入射到光阴极面上时，只要光子的能量高于光电发
30、射闽值，光阴极就将产生电子发射。发射到真空中的电子在电场和电子光学系统的作用下，经电子限束器电极会聚并加速运动到第一倍增极上，第一倍增极在高动能电子的作用下，将发射比入射电子数目更多的二次电子(即倍增发射电子)。第一倍增极发射出的电子在第一与第二倍增极之间电场的作用下高速运动到第二倍增极。同样，在第二倍增极上产生电子倍增。依此类推，经N级倍增极倍增后，电子被放大N次。最后，被放大N次的电子被阳极收集，形成阳极电流。当光电倍增管接上负载电阻后，阳极电流将在负载电阻上产生电压降，最终形成输出电压。K-窗口、C-光阴极、-次电子发射极、A-阳极、-电阻图2-8光电倍增管结构原理图2.2.7 光敏电阻
31、光敏电阻是一种较常用的光电导器件。所谓光电导器件是指利用具有光电导效应的材料(例如硅、锗等)制成电导率随入射的光辐射通量变化而变化的器件。而光电导效应就是指某些物质吸收了光子的能量后产生本征吸收或杂质吸收，从而达到改变物质电导率的现象。光敏电阻是一个电阻器件，使用时两电极可以加直流电压，也可加交流电压。无光照时，光敏电阻的阻值很大，电路中电流很小。接受光照时，由光照产生的光生载流子迅速增加，使其阻值迅速减小。在外电场的作用下光生载流子将沿一定方向运动，形成电流，光生载流子越多电流越大。光敏电阻有以下特点:(1)光谱响应范围宽，尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度;(2)偏置电压低，工作电流大;
32、(3)动态范围宽，既可测强光，也可测微弱光;(4)光电导增益大，灵敏度较高;(5)无极性，使用方便。图2-9 光敏电阻原理结构图由于各光电转换器件的性能特性不同，因此产生的噪声也不相同，对工作环境的要求以及表现出的优缺点各不相同。在检测系统、图像传输过程和通信设备中出现噪声时，仪器的精度、稳定性就会明显降低，由于噪声会使光电检测系统误差增大、通信无法正常进行，所以本章在讨论微弱光电信号的各种检测、采集技术之前，我们先对噪声的有关概念作简单的概述。2.3 常见的噪声类型对于信号来讲，干扰和噪声都是应该尽量避免的一种扰动，通常把可以消除或者减小的外部扰动称之为干扰;而把由于物理原因或材料本身所产生
33、的扰动称为噪声。噪声是一种随机信号，在任一瞬间不能预知其精确大小，它是由振幅随机和相位随机的频率分量所组成。2.3.1 热噪声热噪声广泛的存在于电阻性元器件中，它表示着电阻性元器件的最小噪声水平。在温度处于绝对零度以上的导体中，自由电子在做无规则的热运动，热运动的方向和速度都是随机的，这样就在导体内部形成“无规则”的电流，而且这种电流的大小会随时间的增长随机的变化。电流的变化就会引起电阻两端电压值的变化，我们将这种电压大小的无规则起伏变化称之为热噪声，又因为该噪声是由约翰逊在1928年首先发现的，故又将其称为约翰逊噪声(Johnson Noise)5。在考虑热噪声的情况下，电阻在电路中的作用等
34、效于一个没有噪声的电阻R和一个电压源E，串联，并且两者满足以下关系式: （2-4）式中k为波尔兹曼常数，T为电阻的绝对温度，f为带宽。由式(2-4)可以看出，通常只有温度、电阻阻值以及带宽会影响到热噪声的大小，而外加电压大小不会对其产生任何影响，在通常频率范围内，热噪声的功率谱密度与频率无关，所以热噪声属于一种白噪声。2.3.2 散粒噪声除了电阻中自由电子热运动所产生的噪声外，各种电子器件(如电子管、晶体管和场效应管等)中载流子越过位垒时也会产生噪声，这是电子元器件内部噪声的一个重要来源。对于半导体器件在接通电压时，不同时刻通过PN结位垒的载流子数目是随机的，这将导致电流的起伏。这种由于载流子
35、的各自独立而随机地通过位垒所产生的噪声称为散粒噪声或散弹噪声(Shot Noise)6。电流强度平均值为I的独立的随机电流脉冲所产生的散粒噪声电流均方值可以表示如下： （2-5）式中q为电子电荷，f为带宽。2.3.3 g-r噪声g-r噪声是指产生-复合噪声。它在半导体材料和诸如JFET这样的体效应器件中是主要的低频噪声源。双极晶体管中的碎发噪声以及小尺寸MOSFET中出现的随机电报噪声(KIN)也是g-r噪声的一种形式。在光电导探测器中，载流子热激发也是电子-空穴对，电子和空穴在运动时，与光伏器件重要的不同点在于，它存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的，因此不仅有载流子产生的起伏，而且
36、还有载流子复合的起伏。虽然其本质也是一种散粒噪声，但是为了强调产生和复合两个因素，将由此产生的噪声称为产生-复合噪声(generation- recombination noise)简称g-r噪声7。2.3.4 l/f噪声广义上说，凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象都可以称为l/f噪声8。它也被称为接触式噪声，由于在两种导体的接触点上其电导是随机涨落的，这就会产生噪声。对于任何接触不理想的导体器件都存在有l/f噪声。因为其功率谱密度和1/f成正比，所以也有将l/f噪声称为低频噪声。l/f噪声具有两个基本特征:(1) 在一个相当宽的频率范围内，1/f噪声的功率谱密度与频率成反比。(2) l
37、/f噪声电压或电流的功率谱密度与通过器件的电流的平方成正比。2.4 噪声的统计特性在微弱信号检测采集技术中，需要处理的主要是基本噪声，且绝大多数是随机噪声。随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，在任何时刻它的波形、幅度及相位都是随机的。但各种噪声还是服从于一定的统计规律，因此又是可统计的。常用的概率和统计描述方法有概率分布和数学期望、方差、均方值以及相关函数等。2.4.1 噪声的概率分布对于连续取值的随机噪声，概率分布密度P(x)表示的是噪声电压x(t)在时刻x的概率值。对于所有的x都有p(x)0。t时刻噪声电压取值在a和b之间的概率为: (2-6)而且有 (2-7)式(2-6)表明，在概率分
38、布密度曲线下覆盖的面积为1。自然界中的许多随机量属于高斯分布，它是一种重要的概率密度函数，又称为正态分布概率密度函数。对于由很多个不同的噪声源混合而产生的噪声，根据中心极限定理的内容，就可以认为该噪声是服从于高斯分布的。高斯分布的概率密度函数可以表示为 (2-8)式中为的平均值：为的方差，在检测数据处理中把称为标准差。一种典型的信号处理问题是把噪声从信号中分离开来，或者消除信号中的噪声，这时就经常假设干扰噪声服从于高斯分布。2.4.2 随机噪声的均值、方差和均方值1、均值对于连续的随机噪声,其均值通常可以用数学期望值来表示为： （2-9）电路中的噪声普遍具有各态遍历性质，其统计平均能够用时间平
39、均来计算，即 （2-10）均值在电压或者电流型的随机噪声信号中表示的是它的直流分量的值。2、方差把随机噪声信号的瞬时取值与其平均值之差的平方的数学期望就定义为方差，用来表示。它反映的是随机噪声的起伏程度。可以表示为： （2-11）同样，对于各态遍历的平稳随机噪声，其统计平均可以用时间平均来计算，也即 （2-12）3、均方值均方值表示的是随机噪声瞬时取值的平方的数学期望值，反映的是随机噪声的功率。可以表示为： （2-13）也同样可以用时间平均来计算，即： （2-14）2.4.3 噪声的相关参数1、自相关函数随机噪声的自相关函数是其时域特性的平均度量，它反映同一个随机噪声在不同时刻取值的相关程度。
40、对于用时间平均来计算，自相关函数可以表示为： （2-15）自相关函数具有如下重要特点：（1）自相关函数是的偶函数，即=（2）当= 0时，具有最大值，即（3）反映随机噪声的功率，即（4）对于平稳的随机噪声，仅与时间差有关，而与计算时间的起点无关（5）当时，自相关函数反映随机噪声直流分量的功率，即（6）两个互不相关的两个随机噪声之和的自相关函数等于两个随机噪声自相关函数之和，即如果，则有（7）如果包含周期分量，则包含同样周期的周期性分量。2、互相关函数互相关函数反映的是两个不同的随机噪声和在不同时刻和取值的相关程度。用时间平均来计算统计平均，互相关函数表示为： （2-16）互相关函数具有以下重要特
41、点：(1) 互相关函数不再是偶函数，即，但是有(2) 互相关函数的上界由确定(3) 值很大时的互相关函数反映和均值的乘积，即(4) 对于平稳的随机噪声，仅与时间差有关，而与计算时间的起点无关。2.4.4 信噪比与信噪改善比实际应用中，对微弱信号的进行检测和采集的主要目的就是希望能够从含有较多噪声的总信号中提取得到某些有用信号，或是说是通过一些新的方法、技术以提高检测采集与处理系统信号输出的信噪比。通常的工程实际中往往把获得的“总信号”中将需要的信号部分的有效值S和噪声部分的有效值N之间的比值称为信噪比:信噪比（SNR）=信号 / 噪声= S/N (2-17)测量的不确定性或误差 = 1/ SN
42、R (2-18)从(2-18)可以看出，信噪比越高测量误差越小。系统的信噪改善比是用来衡量信号经过某种放大器或者是检测测试系统后，信噪比的改善情况的，用表达式可以写为:= 输出信噪比 / 输入信噪比 (2-19)2.5 微弱信号检测常用方法2.5.1 相关检测技术根据相关性原理实现对信号的检测称为相关检测技术，本质上说，相关检测是基于信号和噪声间的统计特性进行检测的。相关函数是两个时域信号相似性的一种度量。相关检测主要利用最大限度地压缩带宽、抑制噪声，以达到检测微弱信号的目的9。1、自相关检测实现自相关检测的一般原理框图如图2-10所示。延时器图2-10 自相关检测原理框图乘法器设混有随机噪声
43、的信号，其中为被测信号，为噪声。将同时输入到相关接收机的两个通道，将其中一个经过延迟器，使其延迟时间，得到。再将和同时送到乘法器中，最后将其输出经过积分运算处理，得到的自相关信号。 （2-20） =由于信号与噪声是互不相关的随机过程，并且噪声平均值为零，所以得到上式中均为零。虽然从理论上讲，噪声的前后可以认为是不相关的，而实际上，对于时间间隔不大的两点仍有可能是相关的。随着的增大，噪声的自相关函数将接近于零，所以分析结果就能得到。这个结果就是输入信号S（t）的自相关函数，它包含了原始信号中所携带的许多信息。这样随着时间的不断增加，有用信号的衰减很小，而噪声信号就会迅速减小，从而达到从混合信号中
44、检测出有用信号的目的。2、互相关检测一般地，互相关检测的抗干扰性能比自相关检测技术好，如果发送的信号频率是确定的，能够通过在接收端发送一个频率与开始的发送信号完全相同的本地信号，进而可以实现将本地信号和混有一定噪声的发送信号做互相关分析。互相关检测原理框图如图2-11所示。延时器图2-11 互相关检测原理框图乘法器设输入信号为，为待测信号，为噪声信号，为本地信号。则互相关函数为： （2-21） 如果有用信号s(t)和本地信号y(t)有某种相关关系，而噪声信号n(t)与本地信号y(t)不存在相关性，并且同时假设噪声信号的均值为零，所以为零。可写为： （2-22）由（2-22）式可以看出，中包含了
45、信号s(t)所携带的信息，这样就能够把待检信号s(t)检测出来了。2.5.2 同步累积法1、同步积分器同步积分器又称为相干滤波器，它是一种抗噪声能力较强的电路形式。其工作原理是对信号和噪声进行多次累积求平均的方法，实现把已知频率的信号从强噪声中提取出来10。在微弱信号检测与采集系统中，用同步积分器提取正弦波或方波信号比较简单，图2-12为同步积分器的原理框图。因为信号只有正负两个状态，所以只需要两个积累器，信号的积累是通过同步开关把信号同步接到两个积累器上，同样用同步开关把积累器和负载相连，使得信号同步输出。由于是利用积分器来完成积累，所以将同步积累系统称为同步积分器。积累器1积累器2输入同步开关同步开关输出图2-12 信号为正弦波或方波的同步积分器原理框图同步积分器可以看作是以参考信号频率为参量的方波匹配滤波器，若有和参考信号相干的正弦信号或方波信号被淹没在白噪声中，由于白噪声具有均匀频谱，通过同步
