內容介紹
基本信息
書名:微弱信號檢測與應用
原價:39.80元
作者:孫士平 主編
齣版社:電子工業齣版社
齣版日期:2013-2-1
ISBN:9787121195457
字數:397000
頁碼:238
版次:1
裝幀:平裝
開本:16開
商品重量:
編輯推薦
內容提要
本書以微弱信號檢測過程中的引例為起點,闡述微弱信號檢測的應用領域和應用範圍,對常用的微弱信號檢測方法和檢測儀器進行理論分析和介紹。全書共分6章,內容包括噪聲、乾擾、微弱信號檢測、信噪比、信噪改善比等的基本概念,低噪聲前置放大與屏蔽、接地技術,同步積分器、鏇轉電容濾波器、相關器、數字式相關器等周期性微弱信號檢測的基本方法,取樣積分器、多點信號平均器、鎖定放大器的基本檢測原理及其應用,隨機性微弱信號的最佳濾波檢測,離散性微弱光信號的檢測方法。
目錄
第1章 緒論
1.1 乾擾、噪聲的概念
1.1.1 乾擾和噪聲
1.1.2 隨機噪聲的功率譜密度及噪聲分類
1.1.3 相關函數及隨機噪聲的相關函數
1.1.4 等效噪聲帶寬
1.2 微弱信號檢測
1.2.1 微弱信號檢測的概念
1.2.2 微弱信號檢測的意義和目的
1.2.3 微弱信號檢測的內容
1.2.4 常規小信號檢測方法與微弱信號檢測的基本方法
1.3 信噪比、信噪改善比、噪聲係數和噪聲因數
1.3.1 信噪比和信噪改善比
1.3.2 噪聲係數和噪聲因數
思考和練習
第2章 低噪聲前置放大與屏蔽、接地技術
2.1 電子元器件的噪聲
2.1.1 電阻的噪聲
2.1.2 電容器的噪聲
2.1.3 變壓器的噪聲
2.1.4 晶體管的噪聲
2.1.5 場效應管的噪聲
2.2 低噪聲前置放大技術
2.2.1 低噪聲前置放大器的等效噪聲模型
2.2.2 低噪聲前置放大器的設計
2.3 微弱信號檢測係統屏蔽與接地技術
2.3.1 乾擾噪聲源
2.3.2 電容性耦閤與屏蔽
2.3.3 電感性耦閤與屏蔽
2.3.4 接地方式
2.3.5 係統的地迴路電流
2.3.6 切斷或減小地迴路電流的幾種方法
思考和練習
第3章 周期性微弱信號檢測方法
3.1 同步積分器
3.1.1 同步積分器的原理
3.1.2 同步積分器的性能
3.1.3 同步積分器的兩節串聯
3.1.4 同步積分器的等效噪聲帶寬
3.1.5 實用同步積分器電路
3.2 鏇轉電容濾波器
3.2.1 鏇轉電容濾波器的原理
3.2.2 鏇轉電容濾波器的性能
3.2.3 鏇轉電容濾波器的等效噪聲帶寬
3.2.4 實用鏇轉電容濾波器電路
3.3 相關器
3.3.1 相關器的原理
3.3.2 相關器的性能
3.3.3 相關器的等效噪聲帶寬
3.4 數字式相關器
3.4.1 相關器的種類及數字式相關器的係統組成
3.4.2 數字式相關函數的實際運算
3.4.3 數字式相關函數的實現
3.4.4 數字式相關函數的誤差分析
3.5 應用實例——編碼地震提高地震探測能力
3.5.1 編碼地震基本原理
3.5.2 編碼地震實驗係統實現方法
3.5.3 信號和噪聲特徵分析
3.5.4 數據相關分析結果
3.5.5 結論
思考和練習
第4章 取樣積分器、多點信號平均器、鎖定放大器的基本檢測原理及其應用
4.1 門積分電路
4.1.1 門積分電路的傳輸函數
4.1.2 門積分電路的性能
4.1.3 門積分電路的等效噪聲帶寬
4.1.4 信噪比的改善
4.2 取樣積分器
4.2.1 取樣概述
4.2.2 取樣積分器的取樣方式
4.2.3 取樣積分器的原理和工作方式
4.3 多點信號平均器
4.3.1 多點信號平均器的工作原理
4.3.2 數字式多點信號平均器的結構組成
4.3.3 數字式平均的信噪改善比
4.3.4 數字式平均的傳輸函數特性
4.3.5 數字式平均的實現算法
4.4 鎖定放大器
4.4.1 鎖定放大器的基本原理
4.4.2 鎖定放大器的主要技術指標
4.4.3 鎖定放大器的過載能力、動態範圍與動態協調
4.4.4 幾種典型的鎖定放大器
4.4.5 正交矢量鎖定放大器
4.5 應用實例——物質含水量檢測係統設計與分析
4.5.1 檢測係統設計及工作原理
4.5.2 數據分析和處理
4.5.3 結論分析
思考和練習
第5章 隨機性微弱信號的最佳濾波檢測
5.1 隨機性微弱信號的基本特徵
5.2 隨機性微弱信號的匹配濾波器
5.2.1 匹配濾波器理論
5.2.2 白噪聲背景下的匹配濾波器對微弱信號的檢測
5.2.3 有色噪聲背景下的匹配濾波器對微弱信號的檢測
5.3 隨機性微弱信號的維納濾波
5.3.1 維納濾波器必須滿足的基本方程
5.3.2 維納濾波器的非因果解
5.3.3 維納濾波器的因果解
5.3.4 維納濾波器的正交性
5.3.5 維納濾波器的離散檢測
5.4 隨機性微弱信號的卡爾曼濾波
5.4.1非遞歸算法和遞歸算法
5.4.2一維(或標量)卡爾曼濾波方程
5.4.3一維卡爾曼濾波算法及模型
5.4.4一維卡爾曼濾波檢測
思考和練習
第6章 離散性微弱光信號的檢測方法
6.1 概述
6.2 光子計數技術
6.2.1 光子計數技術原理概述
6.2.2 光電倍增管的結構、種類及應用
6.2.3 甄彆器
6.2.4 計數器的工作方式
6.2.5 光子計數係統的檢測誤差及其處理方法
6.3 光學多通道分析儀
6.3.1 概述
6.3.2 多色儀
6.3.3 多通道檢測器中的光電檢測器
6.3.4 像增強器
6.3.5 光學多通道分析儀的工作原理
6.4 光子計數器與光學多通道分析儀的應用
6.4.1 用單光子計數法檢測稀土熒光材料的激發光譜
6.4.2 利用光學多通道分析儀檢測人體血液熒光光譜及其在生物醫學領域中的應用
6.4.3 光學多通道分析儀在癌癥診斷中的應用
思考和練習
參考文獻
作者介紹
文摘
序言
關聯推薦
本書可作為測控技術與儀器、地球物理、地球勘探、測錄井、自動化、電子信息工程、通信工程、物理、光學、化學、生物醫學工程、醫學儀器等專業的高年級本科生和研究生教材,也可以作為有關專業工程技術人員與科技人員的參考書。
目錄
目錄
第1章 緒論
1.1 乾擾、噪聲的概念
1.1.1 乾擾和噪聲
1.1.2 隨機噪聲的功率譜密度及噪聲分類
1.1.3 相關函數及隨機噪聲的相關函數
1.1.4 等效噪聲帶寬
1.2 微弱信號檢測
1.2.1 微弱信號檢測的概念
1.2.2 微弱信號檢測的意義和目的
1.2.3 微弱信號檢測的內容
1.2.4 常規小信號檢測方法與微弱信號檢測的基本方法
1.3 信噪比、信噪改善比、噪聲係數和噪聲因數
1.3.1 信噪比和信噪改善比
1.3.2 噪聲係數和噪聲因數
思考和練習
第2章 低噪聲前置放大與屏蔽、接地技術
2.1 電子元器件的噪聲
2.1.1 電阻的噪聲
2.1.2 電容器的噪聲
2.1.3 變壓器的噪聲
2.1.4 晶體管的噪聲
2.1.5 場效應管的噪聲
2.2 低噪聲前置放大技術
2.2.1 低噪聲前置放大器的等效噪聲模型
2.2.2 低噪聲前置放大器的設計
2.3 微弱信號檢測係統屏蔽與接地技術
2.3.1 乾擾噪聲源
2.3.2 電容性耦閤與屏蔽
2.3.3 電感性耦閤與屏蔽
2.3.4 接地方式
2.3.5 係統的地迴路電流
2.3.6 切斷或減小地迴路電流的幾種方法
思考和練習
第3章 周期性微弱信號檢測方法
3.1 同步積分器
3.1.1 同步積分器的原理
3.1.2 同步積分器的性能
3.1.3 同步積分器的兩節串聯
3.1.4 同步積分器的等效噪聲帶寬
3.1.5 實用同步積分器電路
3.2 鏇轉電容濾波器
3.2.1 鏇轉電容濾波器的原理
3.2.2 鏇轉電容濾波器的性能
3.2.3 鏇轉電容濾波器的等效噪聲帶寬
3.2.4 實用鏇轉電容濾波器電路
3.3 相關器
3.3.1 相關器的原理
3.3.2 相關器的性能
3.3.3 相關器的等效噪聲帶寬
3.4 數字式相關器
3.4.1 相關器的種類及數字式相關器的係統組成
3.4.2 數字式相關函數的實際運算
3.4.3 數字式相關函數的實現
3.4.4 數字式相關函數的誤差分析
3.5 應用實例——編碼地震提高地震探測能力
3.5.1 編碼地震基本原理
3.5.2 編碼地震實驗係統實現方法
3.5.3 信號和噪聲特徵分析
3.5.4 數據相關分析結果
3.5.5 結論
思考和練習
第4章 取樣積分器、多點信號平均器、鎖定放大器的基本檢測原理及其應用
4.1 門積分電路
4.1.1 門積分電路的傳輸函數
4.1.2 門積分電路的性能
4.1.3 門積分電路的等效噪聲帶寬
4.1.4 信噪比的改善
4.2 取樣積分器
4.2.1 取樣概述
4.2.2 取樣積分器的取樣方式
4.2.3 取樣積分器的原理和工作方式
4.3 多點信號平均器
4.3.1 多點信號平均器的工作原理
4.3.2 數字式多點信號平均器的結構組成
4.3.3 數字式平均的信噪改善比
4.3.4 數字式平均的傳輸函數特性
4.3.5 數字式平均的實現算法
4.4 鎖定放大器
4.4.1 鎖定放大器的基本原理
4.4.2 鎖定放大器的主要技術指標
4.4.3 鎖定放大器的過載能力、動態範圍與動態協調
4.4.4 幾種典型的鎖定放大器
4.4.5 正交矢量鎖定放大器
4.5 應用實例——物質含水量檢測係統設計與分析
4.5.1 檢測係統設計及工作原理
4.5.2 數據分析和處理
4.5.3 結論分析
思考和練習
第5章 隨機性微弱信號的最佳濾波檢測
5.1 隨機性微弱信號的基本特徵
5.2 隨機性微弱信號的匹配濾波器
5.2.1 匹配濾波器理論
5.2.2 白噪聲背景下的匹配濾波器對微弱信號的檢測
5.2.3 有色噪聲背景下的匹配濾波器對微弱信號的檢測
5.3 隨機性微弱信號的維納濾波
5.3.1 維納濾波器必須滿足的基本方程
5.3.2 維納濾波器的非因果解
5.3.3 維納濾波器的因果解
5.3.4 維納濾波器的正交性
5.3.5 維納濾波器的離散檢測
5.4 隨機性微弱信號的卡爾曼濾波
5.4.1非遞歸算法和遞歸算法
5.4.2一維(或標量)卡爾曼濾波方程
5.4.3一維卡爾曼濾波算法及模型
5.4.4一維卡爾曼濾波檢測
思考和練習
第6章 離散性微弱光信號的檢測方法
6.1 概述
6.2 光子計數技術
6.2.1 光子計數技術原理概述
6.2.2 光電倍增管的結構、種類及應用
6.2.3 甄彆器
6.2.4 計數器的工作方式
6.2.5 光子計數係統的檢測誤差及其處理方法
6.3 光學多通道分析儀
6.3.1 概述
6.3.2 多色儀
6.3.3 多通道檢測器中的光電檢測器
6.3.4 像增強器
6.3.5 光學多通道分析儀的工作原理
6.4 光子計數器與光學多通道分析儀的應用
6.4.1 用單光子計數法檢測稀土熒光材料的激發光譜
6.4.2 利用光學多通道分析儀檢測人體血液熒光光譜及其在生物醫學領域中的應用
6.4.3 光學多通道分析儀在癌癥診斷中的應用
思考和練習
參考文獻
《微弱信號檢測與應用》 圖書簡介 本書深入探討瞭在噪聲乾擾嚴重、信號幅度極低的條件下,如何有效地檢測和識彆這些“微弱信號”的理論基礎、關鍵技術、核心算法以及廣泛的應用領域。內容涵蓋瞭信號處理、通信工程、傳感技術、儀器儀錶等多個交叉學科的前沿知識,旨在為從事相關研究、開發和工程實踐的專業人士提供一份全麵而深入的參考。 第一部分:微弱信號的挑戰與機遇 本部分首先對微弱信號檢測所麵臨的根本性挑戰進行瞭剖析。微弱信號通常被淹沒在背景噪聲中,其信噪比(SNR)極低,甚至遠低於係統本身的固有噪聲。這使得傳統的信號處理方法難以奏效。我們將從信號的物理本質、噪聲的統計特性、信號傳輸過程中的損耗等多個維度,係統性地梳理齣微弱信號存在的普遍性以及其檢測的固有難度。 同時,我們也會強調微弱信號檢測並非僅僅是剋服睏難,更蘊含著巨大的科學和技術機遇。許多重要的信息都以微弱信號的形式存在,例如: 生命科學領域: 生物標誌物(如DNA、RNA、蛋白質)的微弱熒光信號,用於早期疾病診斷;腦電圖(EEG)和心電圖(ECG)中的微弱電生理信號,用於監測神經和心髒功能。 天文學與空間科學: 來自遙遠星係、脈衝星、引力波等極其微弱的電磁波或引力波信號,揭示宇宙的奧秘。 工業監測與故障診斷: 機械設備運行中産生的微弱振動、聲發射信號,用於預測性維護和故障定位;微弱化學物質泄漏的痕跡檢測,用於安全生産。 通信係統: 低功耗、遠距離通信終端發齣的微弱信號,需要精確捕獲以保證信息傳遞。 國防安全: 敵方通信、雷達信號的微弱探測,用於情報獲取和預警。 通過對這些應用場景的描繪,本書旨在激發讀者對微弱信號檢測研究的興趣,並認識到其在推動科技進步和社會發展中的重要價值。 第二部分:微弱信號檢測的理論基礎 本部分將聚焦於微弱信號檢測的核心理論。我們將從信息論、統計學和信號處理的基本原理齣發,構建理解微弱信號檢測的理論框架。 概率與統計基礎: 深入講解隨機變量、概率密度函數、統計矩等概念,以及如何用統計模型描述信號和噪聲。重點介紹高斯噪聲、泊鬆噪聲等常見噪聲模型的特性,以及它們對信號檢測的影響。 Neyman-Pearson 準則: 這是二元假設檢驗(判斷是否存在信號)的基本判決準則。我們將詳細推導 Neyman-Pearson 準則,解釋其在給定虛警概率(Type I error)下最大化漏警概率(Type II error)的原理,並介紹其在微弱信號檢測中的指導意義。 似然比檢驗: 似然比檢驗是 Neyman-Pearson 準則的實現方式。我們將講解似然函數、對數似然比的計算,以及如何根據似然比的大小進行判決。 卡爾曼濾波與粒子濾波: 對於動態信號或需要跟蹤的微弱信號,卡爾曼濾波及其擴展(如擴展卡爾曼濾波 EKF、無跡卡爾曼濾波 UKF)和粒子濾波(Sequential Monte Carlo)提供瞭有效的估計和跟蹤方法。我們將詳細闡述這些濾波器的基本原理、遞推公式,以及在處理非綫性、非高斯係統中的優勢。 匹配濾波: 匹配濾波是已知信號在噪聲中檢測的最佳綫性濾波器。我們將推導匹配濾波器的衝激響應和最大輸齣信噪比,並討論其在特定信號模型下的有效性。 功率譜密度與頻率分析: 瞭解信號和噪聲在頻域的分布對於設計濾波器和進行信號分離至關重要。我們將介紹傅裏葉變換、功率譜密度(PSD)的概念,以及如何利用頻譜分析來識彆和提取微弱信號。 信息論初步: 簡要介紹熵、互信息等概念,闡述信息論在評估信號可檢測性、優化檢測策略方麵所能提供的理論指導。 第三部分:關鍵檢測技術與算法 本部分是本書的重中之重,將詳細介紹一係列先進的微弱信號檢測技術和算法,並分析其優劣勢及適用場景。 閾值檢測: 這是最基本但也是最廣泛使用的檢測方法。我們將探討不同類型的閾值(固定閾值、自適應閾值、恒虛警率 CFAR 檢測器)的設計原理和實現方式,以及如何根據噪聲特性優化閾值設置。 能量檢測: 基於信號能量纍積的檢測方法,尤其適用於信號持續時間已知的情況。我們將分析能量檢測器的性能,並介紹其在某些特定應用中的局限性。 相關檢測: 利用信號的先驗知識,通過計算接收信號與已知信號模闆之間的相關性來檢測信號。我們將講解相關檢測的原理,包括滑動相關、互相關等,以及其在已知信號模式檢測中的高效性。 盲信號分離(Blind Signal Separation, BSS): 當信號源未知或信號模型不確定時,盲信號分離技術能夠嘗試將混閤信號中的獨立信號源分離齣來。我們將重點介紹獨立成分分析(ICA)的原理和算法,以及其在復雜環境下微弱信號提取中的潛力。 同步與參數估計: 對於通信信號,精確的同步(載波同步、符號同步)是解調的前提。我們將介紹各種同步技術,如鎖相環(PLL)、延遲鎖相環(DLL)等,以及如何利用它們從噪聲中恢復齣微弱信號的精確時序信息。同時,也會探討如何從微弱信號中估計關鍵參數,如頻率、幅度、相位等。 時頻分析技術: 短時傅裏葉變換(STFT)、小波變換(Wavelet Transform)、希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform, HHT)等時頻分析工具,能夠揭示信號在時間和頻率上的局部特徵,對於檢測瞬態、非平穩的微弱信號尤為有效。我們將詳細講解這些技術的原理,並給齣具體的應用案例。 模型驅動的檢測方法: 最大似然估計(Maximum Likelihood Estimation, MLE): 基於概率模型,尋找最有可能生成觀測數據的參數。 最小均方誤差(Minimum Mean Squared Error, MMSE): 尋找最優估計器,使得估計誤差的均方值最小。 貝葉斯估計: 結閤先驗知識和觀測數據,獲得信號的後驗概率分布,並從中進行估計。 機器學習與深度學習在微弱信號檢測中的應用: 特徵提取: 利用機器學習方法從原始信號中提取對檢測有意義的特徵。 分類與判決: 構建分類器(如支持嚮量機 SVM、決策樹、神經網絡)來區分信號和噪聲。 深度神經網絡(DNNs): 特彆是捲積神經網絡(CNNs)和循環神經網絡(RNNs),在處理時序數據和圖像數據方麵錶現齣色,能夠直接從原始信號中學習復雜的模式,實現端到端的微弱信號檢測。我們將介紹一些典型的深度學習架構及其在微弱信號檢測任務中的應用,例如使用 CNNs 進行頻譜特徵提取和分類,或使用 LSTMs/GRUs 進行序列信號的建模與預測。 稀疏錶示與壓縮感知: 如果信號在某個變換域具有稀疏性,稀疏錶示和壓縮感知技術可以以遠低於奈奎斯特率的采樣率重構信號,從而在采集階段就規避瞭部分噪聲的影響,或提高檢測效率。 第四部分:微弱信號檢測的應用實例 本部分將結閤前幾部分所介紹的理論和技術,詳細闡述微弱信號檢測在各個領域的具體應用。 通信係統: 低功耗廣域網(LPWAN)信號檢測: 如 LoRa、NB-IoT 等通信技術,其信號幅度極低,需要高效的檢測算法來捕獲。 深空探測通信: 來自深空探測器的微弱信號,需要極其靈敏的接收設備和先進的信號處理技術。 認知無綫電: 檢測頻譜中的微弱和稀疏信號,以實現頻譜的動態共享。 生物醫學工程: 微弱生物電信號檢測: ECG、EEG、EMG 信號的微弱成分提取,用於心律失常、腦疾病的早期診斷。 微弱熒光信號檢測: 在流式細胞術、免疫分析等技術中,檢測細胞或分子發齣的微弱熒光信號,用於疾病標誌物檢測。 超聲成像中的微弱迴波檢測: 例如造影劑的微弱迴波信號,用於血流監測。 雷達與聲納係統: 隱身目標探測: 檢測雷達截麵積(RCS)極小的隱身目標發齣的微弱迴波。 穿牆雷達: 檢測穿透障礙物後信號衰減嚴重的微弱目標信號。 低頻聲納: 在復雜水下環境中,檢測遠距離、低強度的聲學信號。 傳感器網絡與物聯網(IoT): 環境監測: 檢測空氣、水質中微量汙染物的痕跡信號。 工業設備健康監測: 檢測設備運行中的微弱異常振動、噪聲信號,預測故障。 天文學與物理學: 射電天文學: 檢測來自遙遠宇宙的微弱射電信號,如脈衝星、類星體等。 引力波探測: LIGO、Virgo 等實驗中,探測極其微弱的時空擾動引起的乾涉信號。 高能粒子探測: 從背景噪聲中識彆齣粒子探測器記錄的微弱信號。 無損檢測(NDT): 超聲波無損檢測: 檢測材料內部微小的缺陷、裂紋發齣的微弱超聲迴波。 渦流檢測: 檢測金屬材料錶麵和近錶麵微小缺陷引起的微弱渦流信號。 第五部分:實踐指導與未來展望 本部分將從工程實踐的角度齣發,為讀者提供一些指導性的建議,並展望微弱信號檢測領域的未來發展趨勢。 硬件平颱選擇與設計: 傳感器類型、低噪聲放大器(LNA)、模數轉換器(ADC)的選擇與設計,以及如何構建低噪聲測量環境。 軟件開發工具與平颱: 介紹常用的信號處理庫(如 NumPy, SciPy, MATLAB Signal Processing Toolbox)、機器學習框架(如 TensorFlow, PyTorch)以及數據可視化工具。 性能評估指標: 詳細介紹微弱信號檢測中的常用性能指標,如概率麯綫(PD-PFA)、檢測門限、誤警率、漏警率、均方誤差(MSE)、信噪比(SNR)改善因子等,並講解如何正確計算和理解這些指標。 去噪技術: 結閤信號檢測,介紹一些有效的信號去噪技術,如維納濾波、小波閾值去噪、經驗模態分解(EMD)等,並討論其對微弱信號檢測的影響。 未來研究方嚮: 更高效的自適應算法: 能夠在時變、非高斯噪聲環境下自動優化檢測參數。 基於深度學習的端到端檢測: 進一步探索深度學習在特徵學習、模型構建、魯棒性提升方麵的潛力。 多傳感器信息融閤: 利用多個傳感器采集的信息,通過融閤技術提高微弱信號的檢測概率和定位精度。 量子技術在微弱信號檢測中的應用: 探索量子傳感、量子糾纏等技術為微弱信號檢測帶來的革命性突破。 實時性與低功耗檢測: 針對嵌入式係統和物聯網應用,開發更低功耗、更高實時性的檢測算法。 通過本書的係統學習,讀者將能夠深刻理解微弱信號檢測的原理,掌握多種先進的檢測技術和算法,並能夠將其有效地應用於各自的工程實踐和科學研究領域,從而在復雜多變的信號環境中,發掘和利用那些隱藏在噪聲之下的寶貴信息。