《微弱信号检测》教学大纲
《微弱信号检测》教学大纲
《微弱信号检测技术与应用》教学大纲课程名称：微弱信号检测技术与应用 Weak Signal Detection Technology and application 课程编码：036002学分：3分总学时：48学时理论学时：40学时实验学时：8学时适应专业：测控技术与仪器本科专业先修课程：电路分析基础、数字电子技术、模拟电子技术、单片机与嵌入式系统执笔人：孙士平审订人：熊晓东一、课程的性质、目的与任务本课程从应用角度出发介绍微弱信号检测的理论、方法和仪器，是测控技术与仪器本科专业的选修课。
本课程使学生了解微弱信号检测技术的发展历程、发展方向和微弱信号检测技术的运用领域，使学生理解微弱信号检测仪器的工作原理，使学生掌握微弱信号及其相关的基本概念以及微弱信号检测的一般方法。
二、教学内容、基本要求与学时分配第一章绪论主要内容：1、噪声、干扰与微弱信号的概念2、微弱信号检测的意义、发展历程和发展方向3、微弱信号检测的基本方法基本要求：了解微弱信号检测技术的发展历程和发展方向理解噪声、干扰与微弱信号的基本概念初步掌握微弱信号检测的基本方法学时分配： 4学时第二章噪声、低噪声前置放大和屏蔽接地技术主要内容：1、噪声概述⑴与噪声相关的的几个基本概念噪声与干扰噪声的统计特性随机噪声的功率谱密度及相关函数放大器或线性网络的噪声带宽信噪比、信噪改善比与噪声系数⑵电子元器件的噪声2、低噪声前置放大技术⑴低噪声前置放大器的等效噪声模型⑵低噪声前置放大器的设计3、微弱信号检测系统的屏蔽与接地技术基本要求：了解电子元器件噪声的产生机理；了解低噪声前置放大器的设计方法；了解系统的屏蔽与接地技术。
理解与噪声相关的几个基本概念。
掌握低噪声前置放大器的等效噪声模型。
学时分配： 4 学时第三章周期性微弱信号检测方法主要内容：1、同步积分器2、门积分器3、旋转电容滤波器4、相关器5、数字式相关器6、数字式信号平均器基本要求：了解同步积分器、门积分器、旋转电容滤波器、模拟相关器的数学推导方法。
030242006-微弱信号检测技术-刘晓阳
《弱信号检测技术》课程教学大纲课程代码：030242006课程英文名称：Weak signal detection课程总学时：24 讲课：24实验：0 上机：0适用专业：测控技术与仪器大纲编写（修订）时间：2011.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标微弱信号检测是将淹没在强背景噪声下的微弱信号，通过有效的检测手段，抑制强背景噪声，从而获得信号的恢复是本课程的主要内容。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1、基本知识：要求学生掌握本专业的专业基础知识和专业课知识。
2、基本理论和方法：通过本课程的教学，使学生对“微弱信号检测”主要应用对象及主要实施方法有所了解，在掌握其基本原理的基础上并能完成较简单的微弱信号检测系统的设计。
（三）实施说明由于学时的关系，本课程着重在于扩大学生的知识面，使学生对这一新兴技术分支能有较深入的了解，以便进一步深造。
（四）对先修课的要求1．模拟电子技术（A）(含高频部分)；2．信号与系统；3. 随机信号分析；（五）对习题课、实验环节的要求要求学生掌握BOXCAR积分器的使用方法，可求出SINR，会调整LIA的参数。
（六）课程考核方式1.考核方式：考查。
2.考核目标：考查学生是否理解微弱信号检测的基本原理及主要应用。
3.成绩构成：本课程的总成绩由三部分组成：平时成绩（包括作业、提问、出勤情况等）30%；开卷考试成绩70%。
（七）参考书目:1.《微弱信号检测（第2版）》曾庆勇浙江大学出版社2.《微弱信号检测》戴逸松吉林工业大学出版3.《微弱信号检测》高晋占清华大学出版社二、中文摘要本课程从应用角度出发介绍微弱信号检测的理论、方法和仪器，是测控技术与仪器本科专业的选修课。
该课程帮助学生了解微弱信号检测技术的发展历程和发展方向，了解微弱信号检测技术的运用领域；帮助学生理解微弱信号检测仪器的工作原理；帮助学生掌握微弱信号及其相关的基本概念，掌握微弱信号检测的一般方法。
三、课程学时分配表四、教学内容及基本要求第01部分绪论总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容:1）微弱信号检测的目的与意义2）噪声的基本性质3）噪声的统计特性4）器件噪声举例5）微弱信号检测方法概述重点:1）噪声的定义、种类、度量、电子噪声2）电阻、二极管、三极管的噪声3）弱信号检测的基本方法难点:1）噪声的定义、种类、度量、电子噪声2）电阻、二极管、三极管的噪声第02部分噪声与低噪声测试系统的设计总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0具体内容:1）噪声系数、噪声因子和其他噪声度量参量2）低噪声前置放大器3）低噪声放大器匹配网络与变压器特性重点:1）噪声系数、噪声因子、放大器NF值的测量、NF图2）设计原则，最佳输入电阻难点:1）噪声系数、噪声因子、放大器NF值的测量、NF图2)理想变压器作匹配时的SNIR第03部分同步相关检测-锁定放大器的工作原理总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0具体内容:1）滤波器2）选频检测的局限性与相干检测3）相敏检波器电路4）非周期移相器5）锁相放大器及其主要性能指标6）锁相放大器的使用与应用7）提高锁相放大器性能的一些技术重点:1）有源LPF、HPF、BPF2）相干检测3）掌握相敏检波器的基本电路4）移相环工作原理5）典型的锁相放大器6）锁相放大器的使用7）PCM技术难点:1）相干检测2）移相环工作原理3）典型的锁相放大器第04部分取样与取样积分原理总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 具体内容:1）根号M法则与抽样定理2）取样积分器3）参数图解选择法4）取样积分器性能的一些重大改进5）BOXCAR信噪比改善的数学讨论6）数字平均器的特点及工作模式7）数字多点平均器8）BOXCAR与数字平均器应用举例重点:1）根号M法则、抽样定理2）门积分器、BOXCAR的工作模式3）参数图解选择法4）快速取样、基线取样5）BOXCAR信噪比改善的数学讨论6）数字平均器的特点及工作模式7）数字多点平均器原理、工作流程难点:1）根号M法则、抽样定理2）门积分器、BOXCAR的工作模式3）参数图解选择法4）快速取样、基线取样5）BOXCAR信噪比改善的数学讨论6）数字平均器的特点及工作模式7）数字多点平均器原理、工作流程第05部分光子计数技术总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容:1）光子计数器的原理概述2）光子计数器中的光电倍增管3）放大器-鉴别器4）光子计数器的测量方法5）模拟输出的光子计数器6）光子计数器中的脉冲堆积效应重点:放大器-鉴别器、光子计数器的测量方法难点:模拟输出的光子计数器第06部分总结与考试总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容：应用实例总结、综合复习与考试。
《微弱信号检测技术》教学大纲
《微弱信号检测技术》教学大纲为桂林电子科技大学研究生课程的教学大纲《微弱信号检测技术》教学大纲课程类别：专业任选课课程代码：XZ8269总学时：48学时学分：3适用专业：电子信息科学与技术先修课程：高等数学、模拟电子技术、信号与系统分析、高频电子线路、电子测量与仪器一、课程的地位、性质和任务本课程是电子信息科学与技术专业的专业限选课，其涵盖的内容是电子信息科学与技术专业本科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。
其任务是：通过本课程的学习，使学生掌握有关噪声的概念及低噪声设计方面的基本知识和基本方法，并具有初步的电磁兼容方面的知识与基本的技能，为毕业后从电子系统的设计打下基础。
本课程的主要内容包括：噪声与低噪声测试系统的设计、屏蔽与接地技术、锁定放大器的工作原理、取样与取样积分原理、相关检测、自适应噪声抵消等。
二、课程教学的基本要求要求学生掌握微弱信号的概念、噪声信号的数学分析方法、电子系统噪声的来源、锁定放大器的工作原理、屏蔽与接地技术，了解电磁兼容的概念及相关技术、取样与取样积分原理，一般了解相关检测和自适应噪声抵消。
三、理论教学内容与学时分配1．噪声与低噪声设计（10学时）噪声的基本概念；电阻的热噪声和过剩噪声；半导体器件的噪声特性；低噪声放大器设计；微弱信号检测系统的屏蔽与接地技术；电磁兼容的基本概念及基本方法。
2．锁定放大器的工作原理（16学时）相关函数和相关检测；锁定放大器概述；锁定放大器中的相关器；锁定放大器中的同步积分器；旋转电容滤波器；几种典型的锁定放大器；锁定放大器的动态范围及动态协调；锁定放大器的应用。
3．取样与取样积分原理（10学时）取样的物理过程；取样定理；实时取样与变换取样的基本概念；取样积分器原理和工作方式；门积分器的原理分析；几种典型的取样积分器；取样积分器的参数选择及应用；多点信号平均及其发展。
4．相关检测（6学时）概述；相关函数的实际运算及误差分析；相关函数算法及实现；相关函数的峰点跟踪；相关检测的应用。
微弱信号检测技术讲课文档
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微弱信号检测技术
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第六章 微弱信号检测技术
§6.1 随机信号分析主要概念回顾 §6.2 噪声的基本知识 §6.3 窄带滤波法（了解）
§6.4 同步累积法（了解） §6.5 同步相干检测（重点内容）
§6.6 取样积分（重点内容） §6.7 屏蔽与接地技术（自学）
电阻中的热噪声
例如：R=1k Ω, Δf =105Hz，T=300K，则 Et=1.12μV
在微弱信号检测中，需要考虑热噪声
噪声功率（有效值的平方－均方值）P正比于△f， 则功率谱密度为常数，所以热噪声是一种白噪 声。
降低措施：
可以通过减小T、 Δf 降低热噪声电压
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电阻热噪声等效电路
功率密度函数。
第十三页，共76页。
六、放大器及线性网络的带宽
使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值
f 1 Gf df
G0 0
式中：
G(f)——功率增益的频谱函数 G0——最大功率增益 f——系统带宽
第十四页，共76页。
§6.2 噪声基本知识
一、干扰和噪声
干扰：可以消除或减小的外部扰动。
如50HZ工频干扰、 电台广播、电视信号、宇宙 射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件 合理配置等措施，来减小和消除干扰。
功率有限信号的自相关函数
R ()R x(x)T l i T 1 m T 2 T 2x(t)x(t)dt
两个能量有限信号的互相关函数
R x(y) x ( t)y ( t)d t y ( t)x ( t)dt R y(x) y (t)x (t)d t x (t)y (t)dt
特性：S (f)与R ()是一对傅立叶变换对，满足
第1章 微弱信号检测与随机噪声1
Carrier wave vc , c
振荡器
6
被测信号 载波信号
vs cos st vc cos ct
调制
交放
1 vm vs vc [cos(c s )t cos(c s )t ] 2
Avm
各级产生的低频慢漂信号均可滤除
解调 vd Avmvc
1 A[cos(2c s )t cos(2c s )t 2cos st ] 4
类似道理，自协方差函数也含有同周期的周期分量
22
当
时，噪声自相关函数反映其直流分量的功率
（前提：噪声中不含周期成分）
理解：时间间隔无限远，噪声的交流部分不再有任何
相关性，自相关结果只剩下直流的作用 类似道理： 当
时，自协方差等于0（前提：噪声中不含周期
成分）
23
2. 互相关函数
非常困难 增加反馈环节可削弱变换环节干扰噪声的影响，此时要 求反馈环节稳定可靠，而设计与制作稳定可靠的反馈环 节相对比较容易 通过增加环节，将困难问题转化为简单问题
9
噪声n（变换环节噪声折合到输入端）
被测量x
+
+
变换H
噪声n
y
y Hx Hn
+
被测量x + -
放大 A
+
变换 H
y
反馈 F
AH H 1 1 AHF 1 y x n x n 1 AHF 1 AHF F AF
1 lim T 2T Rx ( )
T T
[ x( t ) x( t )]dt
改变起点
类似道理，自协方差函数也是偶函数
微弱信号检测
第一章绪论1.1弱信号检测的发展随着科学技术的发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测（如弱光小位移微振动微应变微温差低电平电压等）越来越受到人们的重视，因而逐渐形成微弱信号检测（Weak Signal Detection，简称WSD）这门新兴的分支技术学科，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。
近30年来在研究宏观和微观世界的过程中，科学工作者们不断开发出能把淹没在噪声中的大量有用信息检测出来的理论和方法，通过不断的系统化完整化，从而形成了一门新的微弱信号检测的学科分支，其仪器已成为现在科学研究中不可缺少的设备。
1.2弱信号检测的意思目的与意义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的信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。
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。
微弱信号检测技术在许多领域具有广泛的应用，例如物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等。
微弱信号检测所针对的检测对象，是用常规和传统方法不能检测到的微弱量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、微流量、微振动、微温差、微压差以及微电导、微电流、微电压等。
随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，可以说，微弱信号检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要意义。
1.3提高信号检测灵敏度的两种基本方法检测有用微弱信号的困难并不在于信号的微笑，而主要在于信号的不干净，被噪声污染了淹没了。
所以，将有用信号从强背景噪声下检测出来的关键是设法抑制噪声。
提高信号检测灵敏度或抑制或降低噪声的基本方法有以下两种：一是从传感器及放大器入手，降低它们的固有噪声水平，研制和设计低噪声放大器，例如，对直流信号采用斩波稳零运算放大器（如F7650），对交流信号采用OP系列运算放大器等：二是分析噪声产生的原因和规律，以及被测信号的特征，采用适当的技术手段和方法，把有用信号从噪声中提取出来，即研究其检测方法。
微弱信号检测第1章
被测低频信号：Vs(t)=cosωst
ωc/ωs > 20
Vm(t)=Vs(t).×Vc(t)= cos ωst cos ωct
=0.5cos(ωc+ωs)t+0.5cos(ωc-ωs)t
解调过程：Vd(t)= A Vm(t) × Vc(t) 经 LPF，得放大了的被测信号：
A为交流放大倍数
= 0.25 A [cos(2ωc+ωs)t+ cos(2ωc-ωs)t+2 cos ωst]
1. 自功率谱密度函数
x(t)的功率为Px，在角频率ω与ω+Uω之间的功率为UPx，功率谱密度函数定义为
S x (ω ) = Lim
∆ω → 0
∆Px ∆ω
它反映的是噪声功率在不同频率点上分布的情况。
清华大学自动化系 6
《微弱信号检测》第 1 章
根据维纳-辛钦（Wiener-Khinchin）定理： Sx(ω)特点：
+3σx
（二）泊松分布 （三）均匀分布
-3σx
t (ms)
1.3.2 随机噪声的均值、方差和均方值
1． 均值µx
µx = E[x(t)] = ∫ x(t) p(x)dx
−∞
∞
（1-15）
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，即
µx = Lim
T →∞
1 T x(t )dt 2T ∫−T
p(x,y)= p(x) p(y)
而当上式成立时，x 与 y 必定相互独立，而且 3．归一化相关函数 （1）归一化自相关函数： 根据Rx(0)≥Rx(τ)，可知–1 ≤ ρx(τ) ≤ +1。 （2）归一化互相关函数：
E[xy]= E[x] E[y]。
微弱信号检测第二版教学设计
微弱信号检测第二版教学设计
介绍
微弱信号检测作为一项非常重要的技术，广泛应用于医学、化学、物理、生物等领域。
对于微弱信号检测的掌握，对于以上领域的研究非常有帮助。
本次教学设计包含微弱信号检测的基础知识和实操技巧，让学生能够更好地掌握微弱信号检测技术。
教学目标
1.理解微弱信号检测的基本原理和技术。
2.了解微弱信号检测的常用仪器和设备。
3.掌握微弱信号检测的实操技能。
4.能够分析和解决微弱信号检测实际问题。
教学内容
第一章微弱信号检测的概述
1.1 微弱信号检测的定义
1.2 微弱信号检测的应用
1.3 微弱信号检测的原理
1.4 微弱信号检测的分类与方法
第二章微弱信号检测的仪器和设备
2.1 放大器
2.2 滤波器
2.3 数字信号处理器
第三章微弱信号检测的实操技巧
3.1 信号采集和处理
3.2 处理结果分析和评价
3.3 实际问题分析和解决
教学方法
本课程采用理论与实践相结合的教学方法，通过讲解理论知识和进行实际操作来掌握微弱信号检测的技能。
教学评估
通过考察学生对微弱信号检测的理解和实操技能的掌握情况来评估教学效果。
评估方式采用若干选择题、解答题、实验报告等形式。
总结
本教学设计旨在让学生学会微弱信号检测的基本原理、懂得微弱信号检测的应用、掌握微弱信号检测常用仪器和设备、熟练运用微弱信号检测的实操技能以及解决实际微弱信号检测问题。
希望在此过程中能够提高学生的实践能力和创新意识。
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《微弱信号检测技术与应用》教学大纲
课程名称：微弱信号检测技术与应用 Weak Signal Detection Technology and application 课程编码：036002
学分：3分
总学时：48学时理论学时：40学时实验学时：8学时
适应专业：测控技术与仪器本科专业
先修课程：电路分析基础、数字电子技术、模拟电子技术、单片机与嵌入式系统
执笔人：孙士平
审订人：熊晓东
一、课程的性质、目的与任务
本课程从应用角度出发介绍微弱信号检测的理论、方法和仪器，是测控技术与仪器本科专业的选修课。
本课程使学生了解微弱信号检测技术的发展历程、发展方向和微弱信号检测技术的运用领域，使学生理解微弱信号检测仪器的工作原理，使学生掌握微弱信号及其相关的基本概念以及微弱信号检测的一般方法。
二、教学内容、基本要求与学时分配
第一章绪论
主要内容：
1、噪声、干扰与微弱信号的概念
2、微弱信号检测的意义、发展历程和发展方向
3、微弱信号检测的基本方法
基本要求：
了解微弱信号检测技术的发展历程和发展方向
理解噪声、干扰与微弱信号的基本概念
初步掌握微弱信号检测的基本方法
学时分配： 4学时
第二章噪声、低噪声前置放大和屏蔽接地技术
主要内容：
1、噪声概述
⑴与噪声相关的的几个基本概念
噪声与干扰
噪声的统计特性
随机噪声的功率谱密度及相关函数
放大器或线性网络的噪声带宽
信噪比、信噪改善比与噪声系数
⑵电子元器件的噪声
2、低噪声前置放大技术
⑴低噪声前置放大器的等效噪声模型
⑵低噪声前置放大器的设计
3、微弱信号检测系统的屏蔽与接地技术
基本要求：
了解电子元器件噪声的产生机理；了解低噪声前置放大器的设计方法；了解系统的屏蔽与接地技术。
理解与噪声相关的几个基本概念。
掌握低噪声前置放大器的等效噪声模型。
学时分配： 4 学时
第三章周期性微弱信号检测方法
主要内容：
1、同步积分器
2、门积分器
3、旋转电容滤波器
4、相关器
5、数字式相关器
6、数字式信号平均器
基本要求：
了解同步积分器、门积分器、旋转电容滤波器、模拟相关器的数学推导方法。
理解同步积分器、门积分器、旋转电容滤波器、模拟相关器、数字式相关器、数字式信号平均器的抑制干扰和噪声的基本原理。
掌握同步积分器、门积分器、旋转电容滤波器、模拟相关器的传输函数曲线、等效噪声带宽等性能。
学时分配： 10 学时
第四章周期性微弱信号检测仪器与应用
主要内容：
1、取样积分器
2、多点信号平均器
3、锁定放大器
⑴基本原理
⑵主要技术指标
⑶过载能力、动态范围与动态协调
⑷几种典型的锁定放大器
4、周期性微弱信号检测仪器的应用
基本要求：
了解锁定放大器的各种性能指标以及常用锁定放大器的主要性能指标的分布范围。
理解取样积分器、多点信号平均器和锁定放大器的基本原理。
掌握锁定放大器的动态协调技术；掌握几种典型的锁定放大器的工作原理；初步掌握锁定放大器的运用。
学时分配： 14 学时
第五章随机性弱信号的最优滤波检测
主要内容：
1、随机信号的基本特征
2、随机信号的维纳滤波
3、随机信号的卡尔曼滤波
4、随机信号的自适应滤波
5、随机性弱信号的最优滤波检测的应用
基本要求：
了解维纳滤波和卡尔曼滤波的基本原理；了解维纳滤波和卡尔曼滤波的应用。
理解随机信号的基本特征；理解自适应滤波的基本原理。
掌握自适应滤波器的典型应用
学时分配： 4 学时
第六章离散性微弱光信号的检测
主要内容：
1、光子计数技术
⑴原理概述
⑵光电倍增管
⑶放大器与鉴别器
⑷光子计数测量系统
2、光学多通道分析系统（OMA）
⑴原理概述
⑵多色仪
⑶像增强器
⑷光电转换器件
⑸光学多通道分析系统
3、光子计数器与光学多通道分析系统的应用
基本要求：
了解多色仪、像增强器、常用光电转换器件的概念以及工作原理；了解光子计数器与光学多通道分析系统的初步应用。
理解光子计数测量系统和光学多通道分析系统的工作原理。
学时分配：6 学时
三、实验内容与学时分配
本门课程安排实验8学时。
实验一、相关器的研究及其主要参数测量实验（2学时）
实验二、同步积分器的研究及其主要参数测量实验（2学时）
实验三、多点信号平均器（2学时）
实验四、锁定放大器原理实验（2学时）
详细内容及要求参见本门课程的实验大纲。
四、大纲说明
由于学时所限，因此，本课程主要从应用的角度提出与微弱信号检测有关的各种基本概念、介绍微弱信号检测的各种方法、分析各种微弱信号检测仪器的工作原理以及微弱信号检测方法与仪器的典型运用，而避免在课堂上进行大量的数学推导。
五、教学参考书
[1] 高晋占编，《微弱信号检测》，清华大学出版社，2004年；
[2] 曾庆勇著，《微弱信号检测》（第二版），浙江大学出版社，1994；
[3] 陈佳圭著，《微弱信号检测》，中央广播电视大学出版社，1987。