内容介绍
基本信息
书名:微弱信号检测与应用
原价:39.80元
作者:孙士平 主编
出版社:电子工业出版社
出版日期:2013-2-1
ISBN:9787121195457
字数:397000
页码:238
版次:1
装帧:平装
开本:16开
商品重量:
编辑推荐
内容提要
本书以微弱信号检测过程中的引例为起点,阐述微弱信号检测的应用领域和应用范围,对常用的微弱信号检测方法和检测仪器进行理论分析和介绍。全书共分6章,内容包括噪声、干扰、微弱信号检测、信噪比、信噪改善比等的基本概念,低噪声前置放大与屏蔽、接地技术,同步积分器、旋转电容滤波器、相关器、数字式相关器等周期性微弱信号检测的基本方法,取样积分器、多点信号平均器、锁定放大器的基本检测原理及其应用,随机性微弱信号的最佳滤波检测,离散性微弱光信号的检测方法。
目录
第1章 绪论
1.1 干扰、噪声的概念
1.1.1 干扰和噪声
1.1.2 随机噪声的功率谱密度及噪声分类
1.1.3 相关函数及随机噪声的相关函数
1.1.4 等效噪声带宽
1.2 微弱信号检测
1.2.1 微弱信号检测的概念
1.2.2 微弱信号检测的意义和目的
1.2.3 微弱信号检测的内容
1.2.4 常规小信号检测方法与微弱信号检测的基本方法
1.3 信噪比、信噪改善比、噪声系数和噪声因数
1.3.1 信噪比和信噪改善比
1.3.2 噪声系数和噪声因数
思考和练习
第2章 低噪声前置放大与屏蔽、接地技术
2.1 电子元器件的噪声
2.1.1 电阻的噪声
2.1.2 电容器的噪声
2.1.3 变压器的噪声
2.1.4 晶体管的噪声
2.1.5 场效应管的噪声
2.2 低噪声前置放大技术
2.2.1 低噪声前置放大器的等效噪声模型
2.2.2 低噪声前置放大器的设计
2.3 微弱信号检测系统屏蔽与接地技术
2.3.1 干扰噪声源
2.3.2 电容性耦合与屏蔽
2.3.3 电感性耦合与屏蔽
2.3.4 接地方式
2.3.5 系统的地回路电流
2.3.6 切断或减小地回路电流的几种方法
思考和练习
第3章 周期性微弱信号检测方法
3.1 同步积分器
3.1.1 同步积分器的原理
3.1.2 同步积分器的性能
3.1.3 同步积分器的两节串联
3.1.4 同步积分器的等效噪声带宽
3.1.5 实用同步积分器电路
3.2 旋转电容滤波器
3.2.1 旋转电容滤波器的原理
3.2.2 旋转电容滤波器的性能
3.2.3 旋转电容滤波器的等效噪声带宽
3.2.4 实用旋转电容滤波器电路
3.3 相关器
3.3.1 相关器的原理
3.3.2 相关器的性能
3.3.3 相关器的等效噪声带宽
3.4 数字式相关器
3.4.1 相关器的种类及数字式相关器的系统组成
3.4.2 数字式相关函数的实际运算
3.4.3 数字式相关函数的实现
3.4.4 数字式相关函数的误差分析
3.5 应用实例——编码地震提高地震探测能力
3.5.1 编码地震基本原理
3.5.2 编码地震实验系统实现方法
3.5.3 信号和噪声特征分析
3.5.4 数据相关分析结果
3.5.5 结论
思考和练习
第4章 取样积分器、多点信号平均器、锁定放大器的基本检测原理及其应用
4.1 门积分电路
4.1.1 门积分电路的传输函数
4.1.2 门积分电路的性能
4.1.3 门积分电路的等效噪声带宽
4.1.4 信噪比的改善
4.2 取样积分器
4.2.1 取样概述
4.2.2 取样积分器的取样方式
4.2.3 取样积分器的原理和工作方式
4.3 多点信号平均器
4.3.1 多点信号平均器的工作原理
4.3.2 数字式多点信号平均器的结构组成
4.3.3 数字式平均的信噪改善比
4.3.4 数字式平均的传输函数特性
4.3.5 数字式平均的实现算法
4.4 锁定放大器
4.4.1 锁定放大器的基本原理
4.4.2 锁定放大器的主要技术指标
4.4.3 锁定放大器的过载能力、动态范围与动态协调
4.4.4 几种典型的锁定放大器
4.4.5 正交矢量锁定放大器
4.5 应用实例——物质含水量检测系统设计与分析
4.5.1 检测系统设计及工作原理
4.5.2 数据分析和处理
4.5.3 结论分析
思考和练习
第5章 随机性微弱信号的最佳滤波检测
5.1 随机性微弱信号的基本特征
5.2 随机性微弱信号的匹配滤波器
5.2.1 匹配滤波器理论
5.2.2 白噪声背景下的匹配滤波器对微弱信号的检测
5.2.3 有色噪声背景下的匹配滤波器对微弱信号的检测
5.3 随机性微弱信号的维纳滤波
5.3.1 维纳滤波器必须满足的基本方程
5.3.2 维纳滤波器的非因果解
5.3.3 维纳滤波器的因果解
5.3.4 维纳滤波器的正交性
5.3.5 维纳滤波器的离散检测
5.4 随机性微弱信号的卡尔曼滤波
5.4.1非递归算法和递归算法
5.4.2一维(或标量)卡尔曼滤波方程
5.4.3一维卡尔曼滤波算法及模型
5.4.4一维卡尔曼滤波检测
思考和练习
第6章 离散性微弱光信号的检测方法
6.1 概述
6.2 光子计数技术
6.2.1 光子计数技术原理概述
6.2.2 光电倍增管的结构、种类及应用
6.2.3 甄别器
6.2.4 计数器的工作方式
6.2.5 光子计数系统的检测误差及其处理方法
6.3 光学多通道分析仪
6.3.1 概述
6.3.2 多色仪
6.3.3 多通道检测器中的光电检测器
6.3.4 像增强器
6.3.5 光学多通道分析仪的工作原理
6.4 光子计数器与光学多通道分析仪的应用
6.4.1 用单光子计数法检测稀土荧光材料的激发光谱
6.4.2 利用光学多通道分析仪检测人体血液荧光光谱及其在生物医学领域中的应用
6.4.3 光学多通道分析仪在癌症诊断中的应用
思考和练习
参考文献
作者介绍
文摘
序言
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本书可作为测控技术与仪器、地球物理、地球勘探、测录井、自动化、电子信息工程、通信工程、物理、光学、化学、生物医学工程、医学仪器等专业的高年级本科生和研究生教材,也可以作为有关专业工程技术人员与科技人员的参考书。
目录
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第1章 绪论
1.1 干扰、噪声的概念
1.1.1 干扰和噪声
1.1.2 随机噪声的功率谱密度及噪声分类
1.1.3 相关函数及随机噪声的相关函数
1.1.4 等效噪声带宽
1.2 微弱信号检测
1.2.1 微弱信号检测的概念
1.2.2 微弱信号检测的意义和目的
1.2.3 微弱信号检测的内容
1.2.4 常规小信号检测方法与微弱信号检测的基本方法
1.3 信噪比、信噪改善比、噪声系数和噪声因数
1.3.1 信噪比和信噪改善比
1.3.2 噪声系数和噪声因数
思考和练习
第2章 低噪声前置放大与屏蔽、接地技术
2.1 电子元器件的噪声
2.1.1 电阻的噪声
2.1.2 电容器的噪声
2.1.3 变压器的噪声
2.1.4 晶体管的噪声
2.1.5 场效应管的噪声
2.2 低噪声前置放大技术
2.2.1 低噪声前置放大器的等效噪声模型
2.2.2 低噪声前置放大器的设计
2.3 微弱信号检测系统屏蔽与接地技术
2.3.1 干扰噪声源
2.3.2 电容性耦合与屏蔽
2.3.3 电感性耦合与屏蔽
2.3.4 接地方式
2.3.5 系统的地回路电流
2.3.6 切断或减小地回路电流的几种方法
思考和练习
第3章 周期性微弱信号检测方法
3.1 同步积分器
3.1.1 同步积分器的原理
3.1.2 同步积分器的性能
3.1.3 同步积分器的两节串联
3.1.4 同步积分器的等效噪声带宽
3.1.5 实用同步积分器电路
3.2 旋转电容滤波器
3.2.1 旋转电容滤波器的原理
3.2.2 旋转电容滤波器的性能
3.2.3 旋转电容滤波器的等效噪声带宽
3.2.4 实用旋转电容滤波器电路
3.3 相关器
3.3.1 相关器的原理
3.3.2 相关器的性能
3.3.3 相关器的等效噪声带宽
3.4 数字式相关器
3.4.1 相关器的种类及数字式相关器的系统组成
3.4.2 数字式相关函数的实际运算
3.4.3 数字式相关函数的实现
3.4.4 数字式相关函数的误差分析
3.5 应用实例——编码地震提高地震探测能力
3.5.1 编码地震基本原理
3.5.2 编码地震实验系统实现方法
3.5.3 信号和噪声特征分析
3.5.4 数据相关分析结果
3.5.5 结论
思考和练习
第4章 取样积分器、多点信号平均器、锁定放大器的基本检测原理及其应用
4.1 门积分电路
4.1.1 门积分电路的传输函数
4.1.2 门积分电路的性能
4.1.3 门积分电路的等效噪声带宽
4.1.4 信噪比的改善
4.2 取样积分器
4.2.1 取样概述
4.2.2 取样积分器的取样方式
4.2.3 取样积分器的原理和工作方式
4.3 多点信号平均器
4.3.1 多点信号平均器的工作原理
4.3.2 数字式多点信号平均器的结构组成
4.3.3 数字式平均的信噪改善比
4.3.4 数字式平均的传输函数特性
4.3.5 数字式平均的实现算法
4.4 锁定放大器
4.4.1 锁定放大器的基本原理
4.4.2 锁定放大器的主要技术指标
4.4.3 锁定放大器的过载能力、动态范围与动态协调
4.4.4 几种典型的锁定放大器
4.4.5 正交矢量锁定放大器
4.5 应用实例——物质含水量检测系统设计与分析
4.5.1 检测系统设计及工作原理
4.5.2 数据分析和处理
4.5.3 结论分析
思考和练习
第5章 随机性微弱信号的最佳滤波检测
5.1 随机性微弱信号的基本特征
5.2 随机性微弱信号的匹配滤波器
5.2.1 匹配滤波器理论
5.2.2 白噪声背景下的匹配滤波器对微弱信号的检测
5.2.3 有色噪声背景下的匹配滤波器对微弱信号的检测
5.3 随机性微弱信号的维纳滤波
5.3.1 维纳滤波器必须满足的基本方程
5.3.2 维纳滤波器的非因果解
5.3.3 维纳滤波器的因果解
5.3.4 维纳滤波器的正交性
5.3.5 维纳滤波器的离散检测
5.4 随机性微弱信号的卡尔曼滤波
5.4.1非递归算法和递归算法
5.4.2一维(或标量)卡尔曼滤波方程
5.4.3一维卡尔曼滤波算法及模型
5.4.4一维卡尔曼滤波检测
思考和练习
第6章 离散性微弱光信号的检测方法
6.1 概述
6.2 光子计数技术
6.2.1 光子计数技术原理概述
6.2.2 光电倍增管的结构、种类及应用
6.2.3 甄别器
6.2.4 计数器的工作方式
6.2.5 光子计数系统的检测误差及其处理方法
6.3 光学多通道分析仪
6.3.1 概述
6.3.2 多色仪
6.3.3 多通道检测器中的光电检测器
6.3.4 像增强器
6.3.5 光学多通道分析仪的工作原理
6.4 光子计数器与光学多通道分析仪的应用
6.4.1 用单光子计数法检测稀土荧光材料的激发光谱
6.4.2 利用光学多通道分析仪检测人体血液荧光光谱及其在生物医学领域中的应用
6.4.3 光学多通道分析仪在癌症诊断中的应用
思考和练习
参考文献
《微弱信号检测与应用》 图书简介 本书深入探讨了在噪声干扰严重、信号幅度极低的条件下,如何有效地检测和识别这些“微弱信号”的理论基础、关键技术、核心算法以及广泛的应用领域。内容涵盖了信号处理、通信工程、传感技术、仪器仪表等多个交叉学科的前沿知识,旨在为从事相关研究、开发和工程实践的专业人士提供一份全面而深入的参考。 第一部分:微弱信号的挑战与机遇 本部分首先对微弱信号检测所面临的根本性挑战进行了剖析。微弱信号通常被淹没在背景噪声中,其信噪比(SNR)极低,甚至远低于系统本身的固有噪声。这使得传统的信号处理方法难以奏效。我们将从信号的物理本质、噪声的统计特性、信号传输过程中的损耗等多个维度,系统性地梳理出微弱信号存在的普遍性以及其检测的固有难度。 同时,我们也会强调微弱信号检测并非仅仅是克服困难,更蕴含着巨大的科学和技术机遇。许多重要的信息都以微弱信号的形式存在,例如: 生命科学领域: 生物标志物(如DNA、RNA、蛋白质)的微弱荧光信号,用于早期疾病诊断;脑电图(EEG)和心电图(ECG)中的微弱电生理信号,用于监测神经和心脏功能。 天文学与空间科学: 来自遥远星系、脉冲星、引力波等极其微弱的电磁波或引力波信号,揭示宇宙的奥秘。 工业监测与故障诊断: 机械设备运行中产生的微弱振动、声发射信号,用于预测性维护和故障定位;微弱化学物质泄漏的痕迹检测,用于安全生产。 通信系统: 低功耗、远距离通信终端发出的微弱信号,需要精确捕获以保证信息传递。 国防安全: 敌方通信、雷达信号的微弱探测,用于情报获取和预警。 通过对这些应用场景的描绘,本书旨在激发读者对微弱信号检测研究的兴趣,并认识到其在推动科技进步和社会发展中的重要价值。 第二部分:微弱信号检测的理论基础 本部分将聚焦于微弱信号检测的核心理论。我们将从信息论、统计学和信号处理的基本原理出发,构建理解微弱信号检测的理论框架。 概率与统计基础: 深入讲解随机变量、概率密度函数、统计矩等概念,以及如何用统计模型描述信号和噪声。重点介绍高斯噪声、泊松噪声等常见噪声模型的特性,以及它们对信号检测的影响。 Neyman-Pearson 准则: 这是二元假设检验(判断是否存在信号)的基本判决准则。我们将详细推导 Neyman-Pearson 准则,解释其在给定虚警概率(Type I error)下最大化漏警概率(Type II error)的原理,并介绍其在微弱信号检测中的指导意义。 似然比检验: 似然比检验是 Neyman-Pearson 准则的实现方式。我们将讲解似然函数、对数似然比的计算,以及如何根据似然比的大小进行判决。 卡尔曼滤波与粒子滤波: 对于动态信号或需要跟踪的微弱信号,卡尔曼滤波及其扩展(如扩展卡尔曼滤波 EKF、无迹卡尔曼滤波 UKF)和粒子滤波(Sequential Monte Carlo)提供了有效的估计和跟踪方法。我们将详细阐述这些滤波器的基本原理、递推公式,以及在处理非线性、非高斯系统中的优势。 匹配滤波: 匹配滤波是已知信号在噪声中检测的最佳线性滤波器。我们将推导匹配滤波器的冲激响应和最大输出信噪比,并讨论其在特定信号模型下的有效性。 功率谱密度与频率分析: 了解信号和噪声在频域的分布对于设计滤波器和进行信号分离至关重要。我们将介绍傅里叶变换、功率谱密度(PSD)的概念,以及如何利用频谱分析来识别和提取微弱信号。 信息论初步: 简要介绍熵、互信息等概念,阐述信息论在评估信号可检测性、优化检测策略方面所能提供的理论指导。 第三部分:关键检测技术与算法 本部分是本书的重中之重,将详细介绍一系列先进的微弱信号检测技术和算法,并分析其优劣势及适用场景。 阈值检测: 这是最基本但也是最广泛使用的检测方法。我们将探讨不同类型的阈值(固定阈值、自适应阈值、恒虚警率 CFAR 检测器)的设计原理和实现方式,以及如何根据噪声特性优化阈值设置。 能量检测: 基于信号能量累积的检测方法,尤其适用于信号持续时间已知的情况。我们将分析能量检测器的性能,并介绍其在某些特定应用中的局限性。 相关检测: 利用信号的先验知识,通过计算接收信号与已知信号模板之间的相关性来检测信号。我们将讲解相关检测的原理,包括滑动相关、互相关等,以及其在已知信号模式检测中的高效性。 盲信号分离(Blind Signal Separation, BSS): 当信号源未知或信号模型不确定时,盲信号分离技术能够尝试将混合信号中的独立信号源分离出来。我们将重点介绍独立成分分析(ICA)的原理和算法,以及其在复杂环境下微弱信号提取中的潜力。 同步与参数估计: 对于通信信号,精确的同步(载波同步、符号同步)是解调的前提。我们将介绍各种同步技术,如锁相环(PLL)、延迟锁相环(DLL)等,以及如何利用它们从噪声中恢复出微弱信号的精确时序信息。同时,也会探讨如何从微弱信号中估计关键参数,如频率、幅度、相位等。 时频分析技术: 短时傅里叶变换(STFT)、小波变换(Wavelet Transform)、希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform, HHT)等时频分析工具,能够揭示信号在时间和频率上的局部特征,对于检测瞬态、非平稳的微弱信号尤为有效。我们将详细讲解这些技术的原理,并给出具体的应用案例。 模型驱动的检测方法: 最大似然估计(Maximum Likelihood Estimation, MLE): 基于概率模型,寻找最有可能生成观测数据的参数。 最小均方误差(Minimum Mean Squared Error, MMSE): 寻找最优估计器,使得估计误差的均方值最小。 贝叶斯估计: 结合先验知识和观测数据,获得信号的后验概率分布,并从中进行估计。 机器学习与深度学习在微弱信号检测中的应用: 特征提取: 利用机器学习方法从原始信号中提取对检测有意义的特征。 分类与判决: 构建分类器(如支持向量机 SVM、决策树、神经网络)来区分信号和噪声。 深度神经网络(DNNs): 特别是卷积神经网络(CNNs)和循环神经网络(RNNs),在处理时序数据和图像数据方面表现出色,能够直接从原始信号中学习复杂的模式,实现端到端的微弱信号检测。我们将介绍一些典型的深度学习架构及其在微弱信号检测任务中的应用,例如使用 CNNs 进行频谱特征提取和分类,或使用 LSTMs/GRUs 进行序列信号的建模与预测。 稀疏表示与压缩感知: 如果信号在某个变换域具有稀疏性,稀疏表示和压缩感知技术可以以远低于奈奎斯特率的采样率重构信号,从而在采集阶段就规避了部分噪声的影响,或提高检测效率。 第四部分:微弱信号检测的应用实例 本部分将结合前几部分所介绍的理论和技术,详细阐述微弱信号检测在各个领域的具体应用。 通信系统: 低功耗广域网(LPWAN)信号检测: 如 LoRa、NB-IoT 等通信技术,其信号幅度极低,需要高效的检测算法来捕获。 深空探测通信: 来自深空探测器的微弱信号,需要极其灵敏的接收设备和先进的信号处理技术。 认知无线电: 检测频谱中的微弱和稀疏信号,以实现频谱的动态共享。 生物医学工程: 微弱生物电信号检测: ECG、EEG、EMG 信号的微弱成分提取,用于心律失常、脑疾病的早期诊断。 微弱荧光信号检测: 在流式细胞术、免疫分析等技术中,检测细胞或分子发出的微弱荧光信号,用于疾病标志物检测。 超声成像中的微弱回波检测: 例如造影剂的微弱回波信号,用于血流监测。 雷达与声纳系统: 隐身目标探测: 检测雷达截面积(RCS)极小的隐身目标发出的微弱回波。 穿墙雷达: 检测穿透障碍物后信号衰减严重的微弱目标信号。 低频声纳: 在复杂水下环境中,检测远距离、低强度的声学信号。 传感器网络与物联网(IoT): 环境监测: 检测空气、水质中微量污染物的痕迹信号。 工业设备健康监测: 检测设备运行中的微弱异常振动、噪声信号,预测故障。 天文学与物理学: 射电天文学: 检测来自遥远宇宙的微弱射电信号,如脉冲星、类星体等。 引力波探测: LIGO、Virgo 等实验中,探测极其微弱的时空扰动引起的干涉信号。 高能粒子探测: 从背景噪声中识别出粒子探测器记录的微弱信号。 无损检测(NDT): 超声波无损检测: 检测材料内部微小的缺陷、裂纹发出的微弱超声回波。 涡流检测: 检测金属材料表面和近表面微小缺陷引起的微弱涡流信号。 第五部分:实践指导与未来展望 本部分将从工程实践的角度出发,为读者提供一些指导性的建议,并展望微弱信号检测领域的未来发展趋势。 硬件平台选择与设计: 传感器类型、低噪声放大器(LNA)、模数转换器(ADC)的选择与设计,以及如何构建低噪声测量环境。 软件开发工具与平台: 介绍常用的信号处理库(如 NumPy, SciPy, MATLAB Signal Processing Toolbox)、机器学习框架(如 TensorFlow, PyTorch)以及数据可视化工具。 性能评估指标: 详细介绍微弱信号检测中的常用性能指标,如概率曲线(PD-PFA)、检测门限、误警率、漏警率、均方误差(MSE)、信噪比(SNR)改善因子等,并讲解如何正确计算和理解这些指标。 去噪技术: 结合信号检测,介绍一些有效的信号去噪技术,如维纳滤波、小波阈值去噪、经验模态分解(EMD)等,并讨论其对微弱信号检测的影响。 未来研究方向: 更高效的自适应算法: 能够在时变、非高斯噪声环境下自动优化检测参数。 基于深度学习的端到端检测: 进一步探索深度学习在特征学习、模型构建、鲁棒性提升方面的潜力。 多传感器信息融合: 利用多个传感器采集的信息,通过融合技术提高微弱信号的检测概率和定位精度。 量子技术在微弱信号检测中的应用: 探索量子传感、量子纠缠等技术为微弱信号检测带来的革命性突破。 实时性与低功耗检测: 针对嵌入式系统和物联网应用,开发更低功耗、更高实时性的检测算法。 通过本书的系统学习,读者将能够深刻理解微弱信号检测的原理,掌握多种先进的检测技术和算法,并能够将其有效地应用于各自的工程实践和科学研究领域,从而在复杂多变的信号环境中,发掘和利用那些隐藏在噪声之下的宝贵信息。