隨著對準(zhǔn)確度和精度越來越高的要求，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(dá)、聲納、通信、工業(yè)測量、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)度的測量，天文學(xué)中衛(wèi)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(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，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。
 

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

　　以下通過簡單的位移測量演示鎖相放大器如何有效應(yīng)用于弱信號檢測，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。激光信號經(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器探測到。物體位移的變化可以通過測量調(diào)幅信號的相位來確定。
 

　　Moku：Lab同時(shí)用于生成調(diào)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(yàn)將使用鎖相放大器來處理信號，并通過測量從物體反射的調(diào)幅信號的相位，進(jìn)而可以確定其位移。通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來展示鎖相放大器的性能，一個(gè)檢測強(qiáng)信號，另一個(gè)檢測弱信號。
 

　　強(qiáng)信號測量
 

　　首先需要確定從這樣的系統(tǒng)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(tǒng)，以至于獲得信號類型。在這樣思路驅(qū)使下，使用鏡子作為反射物體。為了模擬運(yùn)動物體，將鏡子安裝在機(jī)械平臺上，使其與激光器的距離以2Hz的頻率正弦移動并且位移為1cm。光從鏡子反射并在光電探測器上檢測到。為了獲取強(qiáng)信號產(chǎn)生的強(qiáng)度(以及跟弱信號進(jìn)行對比)，可以首先在Moku：示波器上觀察10 MHz調(diào)制信號。
 

圖2 在Moku示波器上測量的強(qiáng)10 MHz信號
 

　　圖2顯示了從光電探測器接收到的強(qiáng)烈、易觀測的信號。由于信號強(qiáng)且可觀察，因此可以直接簡單地測量該信號的相位，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為測量強(qiáng)信號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(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)動鏡子的信號)，由此可以看出系統(tǒng)對鏡子位移的敏感性。
 

　　弱信號測量
 

　　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，光將會在物體上朝許多方向上發(fā)生常見的漫反射，導(dǎo)致在光電探測器處接收的光很弱。在這些弱信號系統(tǒng)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(shè)置實(shí)驗(yàn)來檢測物體位移的變化。然而，這一次，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，因而在光電探測器上檢測到的微弱光被系統(tǒng)的電子噪聲覆蓋。該紙?jiān)俅我?Hz的正弦驅(qū)動，并作為模擬信號。
 

圖5 Moku示波器測量的10 MHz弱信號
 

　　調(diào)整到Moku：示波器來查看光電探測器檢測到的10 MHz調(diào)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(qiáng)反射不同，示波器上檢測到的信號與噪聲無法區(qū)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(diào)整輸入端增益。在這種情況下，在前端選擇+48dB的數(shù)字增益。該增益利用數(shù)字信號處理的方法增加了信號的強(qiáng)度。在此階段，信號和噪聲都增加，導(dǎo)致沒有SNR(信噪比)變化。
 

圖6 為測量弱信號Moku鎖相放大器設(shè)置
 

　　現(xiàn)在該信號已經(jīng)被調(diào)整到了鎖相放大器的動態(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(shù)的設(shè)置。結(jié)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察到。對于測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。總之，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)，能夠檢測出擴(kuò)散物體的位移。