本书所讲述的微弱信号检测是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号的一门新兴的技术学科。
第1章
微弱信号检测与随机噪声
1.1微弱信号检测概述
第1章微弱信号检测与随机噪声
1.1微弱信号检测概述
“微弱信号”不仅意味着信号的幅度很小,而且主要指的是被噪声淹没的信号,“微弱”是相对于噪声而言的。为了检测被背景噪声覆盖着的微弱信号,人们进行了长期的研究工作,分析噪声产生的原因和规律,研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性,以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法。
微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比,这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法,以便从强噪声中检测出有用的微弱信号,从而满足现代科学研究和技术开发的需要。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术,它注重的不是传感器的物理模型和传感原理,也不是相应的信号转换电路和仪表实现方法,而是如何抑制噪声和提高信噪比,因此可以说,微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。
对于各种微弱的被测量,例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动、微温差等,一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压,再经放大器放大其幅度,以期指示被测量的大小。但是,由于被测量的信号微弱,传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往要比有用信号的幅度大得多,放大被测信号的过程同时也放大了噪声,而且必然还会附加一些额外的噪声,例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰噪声,因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度,才能提取出有用信号。为了达到这样的目的,必须研究微弱信号检测的理论、方法和设备。
为了表征噪声对信号的覆盖程度,人们引入了信噪比(signal�瞡oise ratio,简记为SNR)的概念,信噪比指的是信号S与噪声N之比,即
SNR=S/N(1��1)
信噪比可以是电压或电流的有效值比值,一般表示为SNRV或SNRI; 也可以是功率比值,一般表示为SNRP。微弱信号检测的关键是提高信噪比。评价一种微弱信号检测方法的优劣,经常采用两种指标: 一种是信噪改善比SNIR(signal noise improvement ratio),另一种是有效的检测分辨率。SNIR定义为
SNIR=SNRoSNRi(1��2)
式中,SNRo是系统输出端的信噪比,SNRi是系统输入端的信噪比。SNIR越大,表明系统抑制噪声的能力越强。因为SNRV和SNRp之间为平方关系,相应的SNIR之间也是平方关系。所以,在述及信噪比或信噪改善比时,必须说明是哪一种。
微弱信号检测的另一种指标是检测分辨率,它的定义是检测仪器示值可以响应与分辨的输入量的最小变化值。检测分辨率不同于检测灵敏度,后者定义为输出变化量Δy与引起Δy 的输入变化量Δx之比,即灵敏度等于Δy/Δx。也就是说,灵敏度表示的是检测系统标定曲线的斜率。一般情况下,灵敏度越高,分辨率越好。但是,提高系统的放大倍数可以提高灵敏度,但却不一定能提高分辨率,因为分辨率要受噪声和检测误差的制约。
表1��1对比了常规检测方法与微弱信号检测方法所能达到的最高分辨率和SNIR(有效值),表中最后一行是专门从事微弱信号检测仪器生产的吉时利(Keithley)公司的产品近年能够达到的指标。从这些指标中可以看出微弱信号检测技术发展的大致水平。
表1��1检测的最高分辨率
检测量
电压/nV电流/nA温度/K电容/pF微量分析/克分子SNIRV
常规检测方法1030.110-40.110-510
微弱信号检测方法0.110-55×10-710-510-8105
吉时利公司10-310-810-6
抑制噪声以提高信噪比的研究工作由来已久,可以说从电子器件和电子学诞生的年代开始,人们一直在探索抑制噪声的技术。自从1962年第一台锁相放大器问世的四十多年来,经过很多科学工作者的不懈努力,微弱信号检测技术得到了长足的发展,信噪改善比SNIR得到不断提高。到20世纪80年代末,微弱信号检测的SNIRV可达105,近年在一些专门检测领域(例如微弱电流)SNIRV已能达到107,从而推动了物理、化学、电化学、天文、生物、医学等学科的发展。目前,微弱信号检测的原理、方法和设备已经成为很多领域中进行现代科学研究不可缺少的理论和手段,而未来科技的发展也必将对微弱信号检测技术提出更高的要求。
1.2常规小信号检测方法
1.2常规小信号检测方法
与微弱信号相比,小信号的信噪比要高得多,其检测技术也要成熟得多。但是,就提高信噪比,从而检测出被噪声污染的有用信号这一点来看,小信号检测与微弱信号检测具有一定的共同之处。经过多年的研究和实践,人们已经掌握了一些行之有效的小信号检测方法,其中的一些方法还被成功地应用到检测仪器仪表产品之中。了解这些小信号检测的成熟手段和方法,对于微弱信号检测具有一定的参考价值。
这本书,我断断续续啃了一个多月,算是对“微弱信号检测”这个领域有了个大致的了解。坦白说,初次翻开时,被那厚厚的篇幅和密密麻麻的公式给吓到了。不过,随着深入阅读,我发现作者在引言部分做了非常细致的铺垫,从最基础的概率论、统计学概念讲起,像是在为完全没有基础的读者打地基。这种循序渐进的方式,让我这个非科班出身的读者也能逐渐跟上思路。书中对各种经典信号处理算法的阐述,比如匹配滤波、维纳滤波等,都配有详细的推导过程和清晰的图示,这一点我特别喜欢。而且,作者并没有止步于理论,还穿插了一些实际应用案例,比如在通信、雷达、生物医学等领域是如何应用的,这极大地激发了我对这个领域进一步探索的兴趣。虽然有些章节的数学推导我可能需要反复琢磨,但总体而言,这本书提供了一个非常扎实且全面的入门框架。我特别欣赏书中对噪声模型的讨论,它不仅介绍了高斯白噪声,还涵盖了更复杂的噪声类型,并给出了相应的检测策略,这对于处理真实世界中的复杂信号非常有帮助。
评分拿到这本书的时候,我主要是被它的“第2版”这个字眼吸引,想着应该比第一版更成熟、内容更充实。果然,它没有让我失望。这本书的讲解方式非常独特,作者仿佛是在跟我进行一场深入的对话,语言风格相对轻松,但又不失严谨。他善于运用生动形象的比喻来解释抽象的数学概念,比如在讲解信噪比对检测性能的影响时,他用“大海捞针”的比喻,一下子就让我明白了其中的关键。书中关于假设检验的论述,也比我之前看过的任何教材都要透彻,从最基本的 Neyman-Pearson 准则,到更高级的似然比检验,作者都给出了非常详尽的分析。让我印象深刻的是,书中还专门开辟了一章来讨论信号模型的不确定性对检测性能的影响,以及如何在这种情况下设计鲁棒的检测器。这在很多入门书籍中是比较少见的,也充分体现了作者在理论和实践之间的深刻洞察。我特别赞赏作者在描述不同检测方法的优缺点时,能够结合实际的计算复杂度、实时性要求等因素进行综合评价,这对于工程应用非常有指导意义。
评分说实话,这本书的阅读体验,对于我来说,更像是在进行一次思维的“探险”。它不是那种简单堆砌知识的书,而是引导你一层一层地剥开问题的本质。作者在处理各种检测准则时,都非常注重其背后的统计学原理,让你不仅知道“怎么做”,更能明白“为什么这么做”。我特别喜欢他分析各种性能指标,比如检测概率、虚警概率、以及ROC曲线等,都给出了非常直观的解释。而且,书中还引入了一些现代信号处理的理念,比如基于模型和非模型信号的检测方法,以及一些机器学习在微弱信号检测中的应用展望,这些内容让我看到了这个领域未来的发展方向。这本书的目录设计也非常合理,逻辑性很强,从基础概念到复杂算法,再到实际应用,层层递进。即使遇到一些晦涩难懂的数学公式,作者也会通过大量的图表和文字说明来辅助理解,这对于我这种数学功底一般但又渴望深入学习的读者来说,无疑是极大的福音。
评分这本书给我最深的感受,是它的“专业深度”与“通俗易懂”的完美结合。作者在处理微弱信号检测中的各种数学模型时,都能用一种非常清晰、有条理的方式进行呈现,让你在理解复杂推导的同时,不会迷失方向。我尤其欣赏他关于水印技术和图像复原等实际应用章节的讲解,将抽象的信号检测理论巧妙地融入到具体的应用场景中,让我看到了理论的强大生命力。书中对卡尔曼滤波在目标跟踪和信号估计中的应用,以及其与微弱信号检测的结合,也让我眼前一亮。让我感到惊喜的是,书中还提到了一些关于自适应检测算法的最新进展,虽然篇幅不多,但足以勾勒出该领域前沿的轮廓。这本书的排版也很舒服,大量的公式和图表都有很好的逻辑关系,阅读起来不会感到枯燥。总而言之,这本书不仅是学习微弱信号检测理论的优秀教材,也是理解其在工程实践中应用的绝佳参考。
评分这本书的价值,我觉得体现在其“厚积薄发”的讲解风格上。它并没有一开始就抛出复杂的理论,而是循序渐进,仿佛是在帮你一点点搭建起认识微弱信号检测的“大厦”。我特别欣赏书中对贝叶斯决策理论的引入,它为理解最优检测器提供了一个更深层次的理论基础。作者在分析不同先验概率和代价矩阵对检测结果影响时,给出的例子非常贴切,让我能够清晰地理解这些抽象概念在实际问题中的意义。另外,书中关于参数估计和信号检测相结合的论述,也让我受益匪浅,认识到在很多实际应用中,这两个问题是紧密相连的。对于我这种希望将理论知识应用于实际工程项目的人来说,书中关于各种检测器在不同噪声环境下性能的对比分析,以及对实际系统设计的一些建议,都非常有参考价值。它就像一本精心打磨的“工具书”,不仅教你原理,更教你如何“用”。
评分东西非常好,非常满意,并且习惯性好评,据说超过10个字可以领京豆。
评分有时候,会不会感觉到,尽管有朋友的关心,父母的叮嘱,恋人的关爱,我们的心里总还是有一段淡淡的忧伤,说不出的忧伤,每当我们独处的时候,或者回忆往事的时候,在雨中走的时候都会像梦一样的浮现。到底我们想要的是什么呢?我想应该是与自己内心共鸣的一些话语。而《不寂寞》这本书,刚好就是我寻找的这种感觉。觉得自己与这本书很有缘啊,走进书店,第一眼就看到了,主要是那种恬静又悠远的封面,给我的感觉就像是从头顶灌下来,如静坐于云端,又如飘于宁静的海面。打开书,原来文字也是那么的寂寥和温暖,如和一个知心的朋友在倾心长谈一样,一下子填满我所需要的那种感觉
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评分清华老教授写的,那辈人写书目的还是比较单纯的,不比现在人
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评分还没怎么看,有空学一下
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