隨著對(duì)準(zhǔn)確度和精度越來越高的要求，微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域變得至關(guān)重要，特別是在雷達(dá)、聲納、通信、工業(yè)測(cè)量、機(jī)械系統(tǒng)的故障分析等領(lǐng)域。一些具體的例子包括材料分析中熒光強(qiáng)度的測(cè)量，天文學(xué)中衛(wèi)星信號(hào)的接收，以及地震學(xué)中地震波形和波速的測(cè)量。然而，檢測(cè)微弱信號(hào)是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗ǔＱ蜎]在來自系統(tǒng)本身或來自外部環(huán)境的噪聲中。在本文中，我們將探討如何運(yùn)用Moku鎖相放大器從大量背景噪聲中恢復(fù)弱小信號(hào)。

鎖相放大器通常用于提取非常小的振蕩信號(hào)，隔離出信號(hào)并濾除系統(tǒng)中的大部分不需要的噪聲。

以下通過簡(jiǎn)單的位移測(cè)量演示鎖相放大器如何有效應(yīng)用于弱信號(hào)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。激光信號(hào)經(jīng)過調(diào)幅后（以10MHz作為調(diào)制頻率）被物體反射并被光電探測(cè)器探測(cè)到。物體位移的變化可以通過測(cè)量調(diào)幅信號(hào)的相位來確定。

Moku：Lab同時(shí)用于生成調(diào)制信號(hào)（輸出2）和測(cè)量光電探測(cè)器上檢測(cè)到的信號(hào)（輸入1）。

圖1示例實(shí)驗(yàn)的光學(xué)設(shè)置

我們將使用鎖相放大器來處理信號(hào)，并通過測(cè)量從物體反射的調(diào)幅信號(hào)的相位，進(jìn)而可以確定其位移。我們通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來展示鎖相放大器的性能，一個(gè)檢測(cè)強(qiáng)信號(hào)，另一個(gè)檢測(cè)弱信號(hào)。

強(qiáng)信號(hào)測(cè)量

首先要了解我們期望從這樣的系統(tǒng)測(cè)量什么信號(hào)，我們首先使用高反射率物體建立一個(gè)系統(tǒng)。在這種情況下，我們使用鏡子。

為了模擬運(yùn)動(dòng)物體，將鏡子安裝在機(jī)械平臺(tái)上，使其與激光器的距離以2Hz的頻率正弦移動(dòng)并且位移為1cm。

光從鏡子反射并在光電探測(cè)器上檢測(cè)到。

為了獲取強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生的強(qiáng)度（以及跟弱信號(hào)進(jìn)行對(duì)比），我們可以首先在Moku：示波器上觀察10 MHz調(diào)制信號(hào)。

圖2 在Moku示波器上測(cè)量的強(qiáng)10 MHz信號(hào)

圖2顯示了從光電探測(cè)器接收到的強(qiáng)烈、易觀測(cè)的信號(hào)。由于信號(hào)強(qiáng)且可觀察，因此可以直接簡(jiǎn)單地測(cè)量該信號(hào)的相位，并推斷出鏡子的位移變化。以上過程我們也可以通過使用鎖相放大器來直接提取相位實(shí)現(xiàn)。

圖3為測(cè)量強(qiáng)信號(hào)Moku鎖相放大器設(shè)置

圖3顯示了Moku鎖相放大器的設(shè)置。在這種情況下，調(diào)制信號(hào)取自內(nèi)部本機(jī)振蕩器。然后，本機(jī)振蕩器將用于解調(diào)輸入信號(hào)以獲得輸出1上的相位信號(hào)。

圖4 Moku鎖相放大器測(cè)量的相位信號(hào)

圖4顯示了使用鎖相放大器直接測(cè)量到的相位變化。正如預(yù)期的那樣，相位呈現(xiàn)大約2 Hz頻率的正弦變化（用于驅(qū)動(dòng)鏡子的信號(hào)），由此可以看出系統(tǒng)對(duì)鏡子位移的敏感性。

弱信號(hào)測(cè)量

在大多數(shù)情況下，物體反射如此大量光線非常罕見。更常見的情況是，光將會(huì)在物體上朝許多方向上發(fā)生非常擴(kuò)散的漫反射，導(dǎo)致在光電探測(cè)器處接收的光很弱。在這些弱信號(hào)系統(tǒng)中，信號(hào)的檢測(cè)不那么明顯，需要使用更先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)。

為了證明這一點(diǎn)，我們?cè)俅卧O(shè)置實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)物體位移的變化。然而，這一次，我們使用擴(kuò)散紙。與鏡子不同，從紙張反射的光在朝多方向散射，因而在光電探測(cè)器上檢測(cè)到的微弱光被系統(tǒng)的電子噪聲覆蓋。該紙?jiān)俅我?Hz的正弦驅(qū)動(dòng)，并作為模擬信號(hào)。

圖5 Moku示波器測(cè)量的10 MHz弱信號(hào)

我們?cè)俅问褂肕oku：示波器來查看光電探測(cè)器檢測(cè)到的10 MHz調(diào)制信號(hào)。圖5顯示了從光電探測(cè)器接收的漫反射信號(hào)。與鏡子的強(qiáng)反射不同，示波器上檢測(cè)到的信號(hào)與噪聲無法區(qū)分。

但是，信號(hào)仍然存在，可以使用鎖相放大器進(jìn)行恢復(fù)。首先，我們調(diào)整輸入端增益。在這種情況下，我們?cè)谇岸诉x擇+48 dB的數(shù)字增益。該增益利用數(shù)字信號(hào)處理的方法增加了信號(hào)的強(qiáng)度。在此階段，信號(hào)和噪聲都增加，導(dǎo)致無SNR（信噪比）變化。

圖6 為測(cè)量弱信號(hào)Moku鎖相放大器設(shè)置

現(xiàn)在該信號(hào)已經(jīng)被調(diào)整到了鎖相放大器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，從而我們可以進(jìn)一步消除噪聲。這個(gè)可以通過調(diào)整鎖相放大器中的低通濾波器參數(shù)來完成。在這種情況下，將濾波器調(diào)整為7 Hz - 剛好高于2 Hz注入信號(hào)。這將從測(cè)量中消除盡可能多的噪聲。圖6顯示了Moku鎖相放大器參數(shù)的設(shè)置。結(jié)果如圖7所示。

圖7 Moku鎖相放大器測(cè)量的相位信號(hào)

我們看到，該信號(hào)可以在測(cè)量中被清楚地觀察到。對(duì)于測(cè)量中仍然存在的一些噪聲，并且可以通過降低低通濾波器截止頻率來進(jìn)一步優(yōu)化，從而消除更多噪聲?？傊?，該實(shí)驗(yàn)表明通過調(diào)整Moku鎖相放大器的一些關(guān)鍵參數(shù)，我們能夠檢測(cè)出擴(kuò)散物體的位移。

Moku:Lab 鎖相放大器技術(shù)參數(shù)

概要

Moku:Lab數(shù)字鎖相放大器支持雙相解調(diào)(XY/R?)頻率范圍DC-200MHz，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備高達(dá)100 dB。同時(shí)集成來雙通道示波器和數(shù)據(jù)記錄器，可以高達(dá)500 MSa/s采樣率實(shí)時(shí)觀測(cè)信號(hào)，并可以高達(dá)1MSa/s速率記錄數(shù)據(jù)。

主要特點(diǎn)

· 優(yōu)于80 dB動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備

· 直觀的數(shù)字信號(hào)處理示意框圖

· 內(nèi)置探測(cè)點(diǎn)用于信號(hào)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)記錄

· 支持內(nèi)部和外部解調(diào)模式，包括PLL(鎖相環(huán))

· 雙相解調(diào)

· 可切換矩形（X/Y）或極坐標(biāo)（R/ θ）

· 內(nèi)置PID控制器

典型參數(shù)

· 解調(diào)頻率范圍：1 mHz 到200 MHz

· 頻率分辨率：3.55 μHz

· 相移精度：0.001°

· 輸入增益：-20 dB / 0 dB / + 24 dB / + 48 dB

· 輸入阻抗：50 Ω / 1 MΩ

· 可調(diào)時(shí)間常數(shù)：40 ns 到0.6 s

· 濾波器滾降斜率：6 dB/12 dB 倍頻程

· 輸出增益范圍：± 80 dB

· 本機(jī)振蕩器輸出頻率高達(dá)200 MHz，可調(diào)振幅

· 超快數(shù)據(jù)采集：快照模式高達(dá)500 MS/s，連續(xù)采集高達(dá)1MS/s

除了鎖相放大器，Moku:Lab還免費(fèi)集成了示波器、頻譜分析儀、波形發(fā)生器、相位表、數(shù)據(jù)記錄器、激光鎖頻/穩(wěn)頻、PID控制器、波特分析儀、數(shù)字濾波器、任意波形發(fā)生器、FIR濾波器生成器十二個(gè)專業(yè)儀器功能于一臺(tái)設(shè)備。

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產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測(cè)量設(shè)備、精密光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國防及更細(xì)分的前沿市場(chǎng)如量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、精密加工、先進(jìn)激光制造等；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

　　審核編輯：湯梓紅