图书简介:
第1章 绪论1.1 微弱信号检测的背景与概念1.2 常规小信号检测方法1.2.1 最常规方法——滤波1.2.2 直流小信号检测——调制放大解调1.2.3 利用参考量——零位法1.2.4 闭环检测——反馈补偿法1.3 微弱信号检测的常用指标与方法思考与练习第2章 随机噪声及其统计特性2.1 电路噪声的随机特性——统计特性2.2 随机噪声的相关函数与功率谱密度函数2.2.1 自相关函数2.2.2 互相关函数与互协方差函数2.2.3 功率谱密度函数2.2.4 多噪声源同时存在的情况2.3 随机噪声特性2.3.1 随机噪声时域幅度分布——高斯噪声2.3.2 常见随机噪声功率谱密度函数——白噪声和有色噪声2.4 随机噪声通过线性时不变系统2.5 等效噪声带宽思考与练习第3章 电路噪声与低噪声电路3.1 固有噪声的来源——元器件噪声3.1.1 电阻噪声特性3.1.2 电容和电感噪声特性3.1.3 二极管噪声特性3.1.4 双极型晶体管噪声特性3.1.5 场效应管噪声特性3.2 运算放大器噪声3.3 噪声系数3.3.1 噪声系数的定义3.3.2 最佳源电阻与最小噪声系数3.3.3 放大器的极限灵敏度3.3.4 级联放大器的噪声系数——弗里斯公式3.4 低噪声电路的噪声分析3.4.1 示例电路的噪声分析3.4.2 同相运算放大电路的噪声分析3.4.3 反相运算放大电路的噪声分析3.5 低噪声电路设计3.5.1 元器件的选择3.5.2 噪声匹配思考与练习第4章 干扰及对干扰的抑制4.1 干扰源及特性4.2 干扰耦合途径及屏蔽方式4.2.1 电场耦合干扰与屏蔽4.2.2 磁场耦合干扰与屏蔽4.2.3 传导耦合、公共阻抗耦合与电源耦合4.3 接地4.3.1 接地方式4.3.2 地回路电流的影响及抑制思考与练习第5章 锁定放大器5.1 相关检测概述5.2 锁定放大器中的相关结构5.2.1 自相关检测与互相关检测5.2.2 相关检测中的频谱搬移5.2.3 相关器结构与特性5.2.4 相关器的性能参数5.2.5 典型相关器示例5.2.6 相关器变种:同步积分器与旋转电容滤波器5.3 锁定放大器的结构与特性5.3.1 锁定放大器的结构5.3.2 锁定放大器的性能指标与动态协调5.3.3 锁定放大器的应用5.4 数字锁定放大器思考与练习第6章 取样积分器与数字多点平均器6.1 取样积分器6.1.1 取样积分的基本原理6.1.2 取样积分器的原理与特性6.1.3 取样积分器的传输特性6.1.4 取样积分器的参数选择6.1.5 对取样积分器的基线补偿方法6.2 数字多点平均器6.2.1 数字多点平均器的原理6.2.2 数字多点平均器的实现方式6.2.3 数字多点平均器的传输特性思考与练习第7章 随机微弱信号的滤波检测7.1 随机微弱信号的最优滤波7.1.1 维纳滤波7.1.2 卡尔曼滤波7.2 随机微弱信号的自适应滤波7.2.1 自适应横向滤波器7.2.2 最陡下降法7.2.3 最小均方算法思考与练习附录A
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前 言
随着现代科学技术的飞速发展,人类对自然规律的探索不断深入,对信息感知与获取能力的要求也日益提高。在物理、化学、生物医学、地球科学、精密测量、空间探测等诸多前沿科学与工程领域,目标信号往往极其微弱,深陷于复杂噪声背景之中。针对噪声背景的微弱信号检测技术,正是应对这一挑战的关键所在。
微弱信号检测的思想萌芽经历了早期的理论积淀之后,在 1962 年正式出现了现代意义上的工程化应用。在这一年商用锁定放大器和取样积分器的出现,标志着人类首次拥有了系统性地从强噪声中提取深埋的微弱交流或重复脉冲信号的有力工具,实现了当时微伏量级的信号检测水平,奠定了微弱信号检测技术的根基。在此后 60 余年的发展过程中,微弱信号检测技术经历了从模拟技术到数字技术的演进,从单一功能向集成化、智能化的发展,微弱信号检测技术不断突破极限,在数字化进程的早期就达到了纳伏量级,并在21 世纪达到了亚纳伏量级,在极低温条件下可以达到皮伏量级。它不仅是信息获取领域的核心技术之一,还是推动高新技术发展、实现微弱物理量精确测量的重要基础,它支撑了扫描探针显微镜、量子精密测量、单分子探测等前沿领域的崛起。即便在如今的人工智能时代,准确可靠的高质量数据样本依然是有效驱动各种智能算法网络的基础,而微弱信号检测正是保障源头数据真实性与精确性的关键环节。
本书以电子学、信号处理、噪声理论与传感器技术为基础,系统阐述微弱信号检测的基本原理、关键技术及其工程实现。在结构上,本书首先在绪论部分引入微弱信号检测的背景与概念,并简单回顾部分常规小信号检测方法,其后内容划分为三大模块。第一模块包含第 2 ~ 4 章,围绕造成微弱信号难以检测的因素—噪声和干扰进行阐述,在介绍噪声和干扰的基本特性的同时,给出应对噪声和干扰的常见方法,作为对微弱信号进行相关检测等核心处理前的预处理基础。第二模块包含第 5、6 章,分别介绍两大类基于相关检测的微弱信号检测方法,第 5 章讲述用于最优解调窄带连续周期(正弦波 / 方波)信号的锁定放大器,其中,为了突出锁定放大原理,在 5.1 ~ 5.3 节的理论内容中以模拟锁定放大器理论为基础,而在 5.4 节对当前国内外典型的商用数字锁定放大器的型号和性能进行简要介绍;第 6 章讲述用于高效恢复重复瞬态波形的取样积分器与数字多点平均器;第三模块包含第 7 章,引入了基于最优滤波和自适应滤波的非相关检测方法,作为对相关检测方法的补充,这一模块更适合研究生学习,在本科层面的教学中,如受限于课时或学生基础等因素,可作为选学内容。
在本书撰写过程中,编者综合参考了国内已有的各版本微弱信号检测方向的优秀教材,以及相关的学术专著与论文。同时,编者结合多年在授课实践中的经验积累,尝试采IV 微弱信号检测
用旁注的方式,在尽可能不影响正文描述的连贯性的基础上,对理论内容进行更方便学生理解的解释。在此感谢同行专家提出的宝贵建议,也感谢研究团队成员在资料整理等工作中提供的支持。由于编者水平有限,书中难免存在疏漏或不足之处,恳请广大读者批评指正。
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