基于相关原理的微弱信号检测技术的研究
摘 要：阐述了相关检测技术的原理，在LabVIEW软件中设计了仿真实验，结果表明：基于相关原理的实验方案完全可以实现强噪声背景下的微弱信号的提取。
关键词：相关原理；微弱信号；检测
中图分类号： TN91 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）11-154-2 0 引言
在研究自然现象和规律的科学实验和工程实践中，经常会遇到检测毫微伏级信号的问题，如进行红外探测以及生物电信号的测量等，这些问题都归结为噪声中微弱信号的检测，所以微弱信号检测成为了许多科研都必须面对的问题。常用的微弱信号检测方法有[1、2]：①相关检测法；②时域信号的平均处理法；③离散信号的计数处理法；④计算机处理方法。其中，相关检测技术为频域信号的窄带化处理，用于检测单一频率的微弱信号，在谐波检测等各种领域中有着广泛的应用。
1 相关检测技术原理
设测信号为Asin（ωt+α），噪声为n（t）。由于待测幅值A很小，常常被周围的噪声淹没。为了提取该信号，需要
提供一个同频率的正弦信号Bsin（ωt+β），其幅值B是确定的。两路信号到达乘法器，进行运算，结果为ABcos（α-β）-cos（2ωt+α+β）
+n（t）Bsin（ωt+β） （1）
式中，第一项为直流成分，大小与两信号幅值及相位差的余弦成正比；第二项为待测信号的二倍频信号；第三项为与待测信号同时进入乘法器的噪声和参考信号相乘的结果，几乎都是交流信号。由于低通滤波器的通带可以做得很窄，经过低通滤波器，待测信号的二倍频信号和噪声与参考信号相乘的结果可以被滤掉，仅剩下直流信号，即ABcos（α-β）。只要两个信号的初相位α和β是已知的，则cos（α-β）是恒定的。由于参考信号的幅值B是确定的，那么很容易得到待测信号的幅值A，从而实现对微弱信号的检测。 2 微弱信号检测实验
根据上述原理，在LabVIEW软件中进行相应的实验设计。设置待测信号频率为1KHz，其幅度为1mV，噪声（假设噪声为具有普遍意义的高斯白噪声）幅度也为1mV，两者幅度之比为1：1，其波形如图2所示。
设置参考信号的频率必须与待测信号相同，其幅度可自行设置，这里设置为10V。两信号的初相均设置为0，可知cos（α-β）=1，输出结果为AB。仿真实验原理设计如图3所示，其中Simulate Signal为待测信号，下面的Simulate
Signal2为参考信号。两信号经过乘法器进入低通滤波器，设置低通滤波器为5阶Butterworth低通滤波器，其截止频率为0.1Hz。经过低通滤波后的数据分别进入数据显示窗口和波形显示窗口。在进入数据显示窗口之前，数据扩大了1000倍，以便显示。另外，乘法器的输出直接送给了波形显示框口，目的是为了以便观察相乘器的输出结果。
实验的显示其前面板如图4所示。白色信号为乘法器的输出信号，红色信号为经过低通滤波器之后的信号，右侧数据显示窗口所显示的即为该信号的大小。
所显示的数据为5，即有AB=5（mV），其中参考信号的幅度B=10（V），可以计算出待测信号的幅度为A==10（V）=1（mV），可见和所设置的待测信号的幅度是一致的。为进一步验证相关检测提取微弱信号的能力，下面把待测信号的幅度降低为0.1mV，噪声幅度保持不变，参考信号的幅度以及低通滤波器的参数均保持不变。信号如图5所示，可以看出，信号完全被淹没在强噪声背景下。实验结果如图6所示。 数据显示窗口所显示的数据为0.51，根据AB=0.51×10，可以求得待测信号的幅度A=0.102mV，与实际所设置的幅度（0.1mV）略有偏差。然后把低通滤波器的截止频率由0.1Hz设置为0.01Hz，输出信号可以稳定地显示0.5，但输出信号的稳定需要一段时间，这是由于积分常数设置较大的缘故。在实际中，应根据具体情况来设置积分常数。