對淹沒在背景雜訊中微弱有用信號的測量。這類信號往往來自感測器的輸出，必須經過放大。但由於微弱信號本身的漲落、背景和感測器及放大器的雜訊影響，測量靈敏度受到限制。因此，微弱信號的檢測有以下特點：①需要雜訊係數儘量小的低雜訊前置放大器，並根據源阻抗與工作頻率設計最佳匹配。②需要研製適合微弱檢測並能滿足特殊需要的器件。③利用電子學和資訊理論的方法，研究雜訊的成因和規律，分析信號的特點和相幹關係。自從1928年詹森發現電阻中電子的熱騷動引起非週期性雜訊電壓以來，弱弱檢測技術受到普遍重視而得到迅速發展。
頻域信號的窄帶化技術 這是一種積分過程的自相關測量。利用加權函數鎖定信號的頻率與相位特性並加以平滑，使信號與隨機噪聲相區別。采用這種原理設計的儀器稱為鎖定放大器(LIA)，其核心是相敏檢波器。伴有噪聲的信號與參考信號通過相敏檢波器相乘以後，輸入信號的頻譜成為直流項和倍頻項的頻譜遷移，通過後續低通濾波器保留與信號成正比的直流項。低通濾波器可增大積分時間常數來壓縮等效噪聲帶寬，因而Q值可達102～108，噪聲幾乎抑制殆盡。微弱信號檢測是以時間為代價來獲得高信噪比的技術。自1962年鎖定放大器問世以來，提高其性能的有效措施有：一是提高檢測靈敏度和改善過載能力，充分擴展測量的線性范圍。最高靈敏度已達到0.1納伏（滿量程），總增益為200分貝。可用交流相敏檢波（如旋轉電容濾波器）對交流放大和噪聲進行預處理，或利用同步外差技術作交叉變換來濾除噪聲，或采用高階數字濾波壓縮帶寬。二是克服相敏檢波器的諧波響應，降低高頻幹擾和頻漂的影響。三是擴展測量的高頻和低頻范圍。隨著數字信號處理(DSP)的出現和數字濾波的成熟，以及模數轉換(ADC)精度的提高，數字鎖定放大器(DLIA)已顯示出它的優越性，尤其是緩變信號的檢測，測量頻率可達 1毫赫的程度。
時域信號的積累平均法 若信號波形受噪聲幹擾，則必須采用平均法檢測法，即將波形按時間分割若幹點，對所有固定點都積累平均N次，根據統計原理信噪比將改善N1/2倍。采用快速取樣頭對信號采樣，則時間分辨率可大為提高，約為100皮秒，並可用基線取樣法扣除背景。這種模擬移動門采樣平均技術的缺點是每一個信號波形隻取樣一次，效率很低，不利於檢測長周期信號。數字多點平均彌補瞭這個缺點，信號每出現一次，按時間分成許多取樣通道（如1 204道），各道采集的值經數字化後存儲到各道對應的固定地址，計算機根據平均方式（線性、指數和歸一化平均）對每次取樣值進行處理。存儲器能長久保存信息，因此不受取樣次數的限制，同時具有簡化硬件、提高精度、自動測量、處理方便和防止誤操作等優點。但對於高重復頻率的信號，因受計算機速度的限制，尤其在用軟件代替部分硬件的虛擬儀器情況下，速度更是需要解決的問題。
離散量的計數處理 當光子轉化為電子，倍增後的輸出是電脈沖，測量便成為離散量的計數技術。針對噪聲（如雜散光、場致發射、光反饋、熱電子發射和契倫柯夫輻射等）、信號（單位時間內的光子數）的概率分佈、光脈沖的快速響應和堆積效果、傳感器的量子效率（光電子/光子）及光子收集等問題的綜合考慮，已研制出微弱光檢測的光子計數器。它首先需要特殊設計具有明顯的單光電子響應的光電倍增管、制冷和抗幹擾措施，以及電子倍增極增益的合理分配。其次，由於光脈沖很窄，要求寬帶低噪聲前置放大，放大器終端還必須設有可調閾值的甄別電路。最後，對所獲取並經甄別的信號進行計數和計算機處理，其中包括定常統計、背景扣除、源強度補償、誤差修正和信噪比的進一步改善。亦有用冷卻的矽雪崩光電二極管的時間分辨光子計數系統，波長范圍400納米至1微米，計數率達15兆周/秒(Mc/s)。計數處理不僅限於光子檢測，如將模擬量用電壓–頻率轉換變成頻率，同樣可用計數方法提取信號。
並行檢測的多道分析 諸如弱光譜測量的進一步要求，希望在測量范圍內（如波長）用掃描方式同時獲得或記錄隻有一次的單次閃光光譜，圖像處理與弱檢測技術結合的並行檢測方法得到發展。矽靶攝像管、微通道板以及目前應用最廣的電荷耦合器件(CCD)等器件為並行檢測創造瞭條件，它們能將光學圖像變成電子圖像，相當於百萬個光電倍增管同時工作，利用掃描可按程序選取地址並讀出。一般的弱光譜檢測是將光信號用譜儀進行色散，聚焦到電荷耦合器件(CCD)陣列，線列CCD可檢測被色散覆蓋的光譜，面列CCD則可對各波長一次采集的眾多數據進行積累平均。新的CCD器件具有很高的靈敏度和快速響應，以及寬的光譜范圍，背照射CCD具備更高的量子效率，讀出電路與器件高度集成和制冷的實現大大提高瞭信噪比，門控方式可得到時間分辨譜，為動力學研究創造瞭良好的條件。
鑒於微弱信號檢測技術的重要意義和科學價值，近幾十年來得到迅速的發展，在物理學、化學、生物學、天文學、技術科學，工農業生產和環境檢測等領域得到廣泛的應用。