隨著(zhù)對準確度和精度越來(lái)越高的要求，微弱信號檢測技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域變得至關(guān)重要，特別是在雷達、聲納、通信、工業(yè)測量、機械系統的故障分析等領(lǐng)域。一些具體的例子包括材料分析中熒光強度的測量，天文學(xué)中衛星信號的接收，以及地震學(xué)中地震波形和波速的測量。然而，檢測微弱信號是相當具有挑戰性的，因為它通常淹沒(méi)在來(lái)自系統本身或來(lái)自外部環(huán)境的噪聲中。在本文中，將探討如何運用Moku鎖相放大器從大量背景噪聲中恢復弱小信號。
 

　　鎖相放大器通常用于提取非常小的振蕩信號，提取出目標信號并濾除系統中的大部分不需要的噪聲。
 

　　以下通過(guò)簡(jiǎn)單的位移測量演示鎖相放大器如何有效應用于弱信號檢測，實(shí)驗設置如圖1所示。激光信號經(jīng)過(guò)調幅后
 

　　(以10MHz作為調制頻率)被物體反射并被光電探測器探測到。物體位移的變化可以通過(guò)測量調幅信號的相位來(lái)確定。
 

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

　　本次實(shí)驗將使用鎖相放大器來(lái)處理信號，并通過(guò)測量從物體反射的調幅信號的相位，進(jìn)而可以確定其位移。通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗來(lái)展示鎖相放大器的性能，一個(gè)檢測強信號，另一個(gè)檢測弱信號。
 

　　強信號測量
 

　　首先需要確定從這樣的系統中測量什么樣的信號，因此可以使用高反射率物體建立一個(gè)系統，以至于獲得信號類(lèi)型。在這樣思路驅使下，使用鏡子作為反射物體。為了模擬運動(dòng)物體，將鏡子安裝在機械平臺上，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器上檢測到。為了獲取強信號產(chǎn)生的強度(以及跟弱信號進(jìn)行對比)，可以首先在Moku：示波器上觀(guān)察10 MHz調制信號。
 

圖2 在Moku示波器上測量的強10 MHz信號
 

　　圖2顯示了從光電探測器接收到的強烈、易觀(guān)測的信號。由于信號強且可觀(guān)察，因此可以直接簡(jiǎn)單地測量該信號的相位，并推斷出鏡子的位移變化。以上過(guò)程我們也可以通過(guò)使用鎖相放大器來(lái)直接提取相位實(shí)現。
 

圖3為測量強信號Moku鎖相放大器設置
 

　　圖3顯示了Moku鎖相放大器的設置。在這種情況下，調制信號取自?xún)炔勘緳C振蕩器。然后，本機振蕩器將用于解調輸入信號以獲得輸出1上的相位信號。
 

圖4 Moku鎖相放大器測量的相位信號
 

　　圖4顯示了使用鎖相放大器直接測量到的相位變化。正如預期的那樣，相位呈現大約2 Hz頻率的正弦變化(用于驅動(dòng)鏡子的信號)，由此可以看出系統對鏡子位移的敏感性。
 

　　弱信號測量
 

　　在大多數情況下，物體反射如此大量光線(xiàn)非常罕見(jiàn)。更常見(jiàn)的情況是，光將會(huì )在物體上朝許多方向上發(fā)生常見(jiàn)的漫反射，導致在光電探測器處接收的光很弱。在這些弱信號系統中，信號的檢測不那么明顯，需要使用更精確的信號處理技術(shù)。
 

　　為了證明這一點(diǎn)，再次設置實(shí)驗來(lái)檢測物體位移的變化。然而，這一次，使用擴散紙。與鏡子不同，從紙張反射的光在朝多方向散射，因而在光電探測器上檢測到的微弱光被系統的電子噪聲覆蓋。該紙再次以2Hz的正弦驅動(dòng)，并作為模擬信號。
 

圖5 Moku示波器測量的10 MHz弱信號
 

　　調整到Moku：示波器來(lái)查看光電探測器檢測到的10 MHz調制信號。圖5顯示了從光電探測器接收的漫反射信號。與鏡子的強反射不同，示波器上檢測到的信號與噪聲無(wú)法區分。但是，信號仍然存在，可以使用鎖相放大器進(jìn)行提取。首先，需要調整輸入端增益。在這種情況下，在前端選擇+48dB的數字增益。該增益利用數字信號處理的方法增加了信號的強度。在此階段，信號和噪聲都增加，導致沒(méi)有SNR(信噪比)變化。
 

圖6 為測量弱信號Moku鎖相放大器設置
 

　　現在該信號已經(jīng)被調整到了鎖相放大器的動(dòng)態(tài)范圍內，從而我們可以進(jìn)一步消除噪聲。這個(gè)可以通過(guò)調整鎖相放大器中的低通濾波器參數來(lái)完成。在這種情況下，將濾波器調整為7 Hz - 剛好高于2Hz注入信號。這將從測量中消除盡可能多的聲。
 

　　圖6顯示了Moku鎖相放大器參數的設置。結果如圖7所示。
 

圖7 Moku鎖相放大器測量的相位信號
 

　　可以看出，該信號可以在測量中被清楚地觀(guān)察到。對于測量中仍然存在的一些噪聲，并且可以通過(guò)降低低通濾波器截止頻率來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化，從而消除更多噪聲?？傊?，該實(shí)驗表明通過(guò)調整Moku鎖相放大器的一些關(guān)鍵參數，能夠檢測出擴散物體的位移。