產(chǎn)品特點(diǎn)

節省工作臺空間、優(yōu)化實(shí)驗環(huán)境

可遠程控制，滿(mǎn)足嚴格實(shí)驗環(huán)境要求

小巧輕便、隨時(shí)隨地戶(hù)外工作

Moku：Lab鎖相放大器在微弱信號檢測的應用

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。

Moku：Lab鎖相放大器技術(shù)參數概要

Moku:Lab數字鎖相放大器支持雙相解調(XY/R?)頻率范圍DC-200MHz，動(dòng)態(tài)儲備高達100 dB。同時(shí)集成來(lái)雙通道示波器和數據記錄器，可以高達500 MSa/s采樣率實(shí)時(shí)觀(guān)測信號，并可以高達1MSa/s速率記錄數據。

主要特點(diǎn)

雙相解調

內置PID控制器

優(yōu)于80 dB動(dòng)態(tài)儲備

直觀(guān)的數字信號處理示意框圖

內置探測點(diǎn)用于信號監測和數據記錄

可切換矩形（X/Y）或極坐標（R/θ）

支持內部和外部解調模式，包括PLL(鎖相環(huán))

典型參數

解調頻率范圍：1mHz到200MHz

頻率分辨率：3.55μHz

相移精度：0.001°

輸入增益：-20dB/0dB/+24dB/+48dB

輸入阻抗：50Ω/1MΩ

可調時(shí)間常數：40ns到0.6s

濾波器滾降斜率：6dB/12dB倍頻程

輸出增益范圍：±80dB

本機振蕩器輸出頻率高達200MHz，可調振幅

超快數據采集：快照模式高達500MS/s，連續采集高達1MS/s

應用案列

太赫茲時(shí)域光譜、時(shí)域熱反射測量（TDTR)          

氣體諧波測量實(shí)驗

激光器穩頻/鎖頻實(shí)驗                            

原子物理實(shí)驗

飛秒脈沖受激拉曼損耗顯微成像

微弱信號測量

光聲粘彈性成像測量

光聲光譜測量

光電實(shí)驗信號的分析和測量

電子工程類(lèi)實(shí)驗

邁克爾遜干涉實(shí)驗

RC、RL電路實(shí)驗

對有用信號與噪聲信號分離的數字濾波器實(shí)驗

光速的測量

系統輸出信號的相位差測量以及幅值、頻率的同時(shí)測量