產(chan)品(pin)特(te)點

節(jie)省工作臺空間、優化實(shi)驗環境

可遠程控制，滿足嚴格實驗環境要求(qiu)

小巧輕(qing)便、隨時隨地戶外工作(zuo)

Moku：Lab鎖相放大器在微弱信號檢測的應用

隨著(zhu)對(dui)準確度和精度越(yue)來越(yue)高的要求，微弱信號檢測(ce)技(ji)術(shu)已經在很多領域變得至關重(zhong)要，特(te)別是在雷(lei)達(da)、聲納、通信、工業測量、機械系(xi)統的故障(zhang)分析等領(ling)域。一些具體的例子包(bao)括材料分析中熒光(guang)強度的測量，天文學中衛星信號的接收，以及(ji)地震學中(zhong)地震波形和波速的測量。然而，檢測微(wei)弱(ruo)信號是相當具(ju)有(you)挑戰性(xing)的，因為(wei)它(ta)通常淹(yan)沒在來自(zi)系統本身或來自(zi)外部(bu)環(huan)境的噪(zao)聲(sheng)(sheng)中(zhong)。在本文中(zhong)，將探討(tao)如何運用Moku鎖相放大(da)器從大(da)量背景噪(zao)聲(sheng)(sheng)中(zhong)恢復弱小信號。

鎖相(xiang)放大器通常(chang)用于提取非(fei)常(chang)小(xiao)的振蕩信號，提取出目(mu)標信號并濾除系統中的大部分不需要的噪(zao)聲。

以下通過(guo)簡單的位移測量演示鎖相放大器如何有效應(ying)用于弱信號檢測，實驗(yan)設(she)置(zhi)如圖1所(suo)示。激光(guang)信號經過(guo)調幅(fu)后

（以10MHz作為(wei)調制(zhi)頻率）被物體反射并被光電探(tan)(tan)測器(qi)探(tan)(tan)測到(dao)。物體位移的變化可(ke)以通過測量調幅信(xin)號的相(xiang)位來(lai)確(que)定。

Moku：Lab同時用于生成調制(zhi)信號（輸出2）和測(ce)量光電探測(ce)器上檢測(ce)到的信號（輸入1）。

本次實(shi)(shi)驗將使用鎖相放(fang)大器來處理信(xin)號(hao)(hao)，并通過測量從物體反射的調幅(fu)信(xin)號(hao)(hao)的相位(wei)，進而(er)可以確定其(qi)位(wei)移(yi)。通過兩個實(shi)(shi)驗來展示鎖相(xiang)放大器(qi)的性能，一(yi)個檢測(ce)強信(xin)號，另一(yi)個檢測(ce)弱信(xin)號。

強信號測量

首先需(xu)要確(que)定(ding)從(cong)這樣的系(xi)統(tong)中測量(liang)什么樣的信(xin)號，因(yin)此可以(yi)使用高反射率物(wu)體建立一個系(xi)統(tong)，以(yi)至(zhi)于獲(huo)得(de)信(xin)號類型(xing)。在這樣思路(lu)驅使下，使用(yong)鏡(jing)子作為(wei)反射物體。為了模擬運動物體，將鏡子安裝在機械平臺上，使其與激光器的距離以2Hz的頻率正弦移動并且位移為1cm。光從鏡子反射(she)并(bing)在(zai)光電探測器(qi)上檢測到。為了獲(huo)取強(qiang)信號產生的強(qiang)度（以及跟弱信號進(jin)行(xing)對比），可以首先(xian)在Moku：示波器上觀察10 MHz調制信號。

圖2 在Moku示波器上(shang)測量的(de)強10 MHz信號

圖2顯示(shi)了從光電探測(ce)器(qi)接收(shou)到(dao)的強烈、易觀測(ce)的信號。由(you)于信號強且可觀察，因此(ci)可以直接簡(jian)單(dan)地測(ce)量該信號的相位，并推斷出鏡子的位移變化。以上過(guo)(guo)程我們也可(ke)以通(tong)過(guo)(guo)使用鎖(suo)相放(fang)大器來直接(jie)提取相位實現。

圖3為(wei)測(ce)量強(qiang)信號(hao)Moku鎖相放(fang)大器設置

圖(tu)3顯示了Moku鎖相放大器的設置。在這種情況下(xia)，調制信號取自內部本機振(zhen)蕩器。然(ran)后，本機振(zhen)蕩器將(jiang)用于(yu)解調輸入信號以獲得輸出1上(shang)的相(xiang)位信(xin)號。

圖4 Moku鎖相放大器測量的相位信號

圖4顯示了使用(yong)鎖相放大器直接測量到的相位變(bian)化。正如預期的那樣，相位呈(cheng)現大約2 Hz頻率的正弦變(bian)化（用(yong)于驅動鏡(jing)子的信號(hao)），由此可以(yi)看出系統(tong)對鏡(jing)子(zi)位移的敏感性。

弱信號測量

在(zai)大多數情況(kuang)(kuang)下，物體(ti)反(fan)(fan)射如(ru)此大量(liang)光線非常(chang)(chang)罕(han)見(jian)。更常(chang)(chang)見(jian)的情況(kuang)(kuang)是，光將會在(zai)物體(ti)上朝許多方向上發生常(chang)(chang)見(jian)的漫反(fan)(fan)射，導(dao)致在(zai)光(guang)(guang)電探(tan)測(ce)器處(chu)接收的光(guang)(guang)很(hen)弱(ruo)。在(zai)這些弱(ruo)信(xin)(xin)號系統中，信(xin)(xin)號的檢測(ce)不(bu)那(nei)么明(ming)顯，需要使用更精確的信(xin)(xin)號處(chu)理技術。

為了證明這一點，再(zai)次設(she)置實(shi)驗來(lai)檢測(ce)物體位移的變化。然而，這一次，使用擴(kuo)散紙。與(yu)鏡子不同，從紙張反射的光在朝多方(fang)向散(san)射(she)，因而在(zai)光(guang)電探測器上(shang)檢測到的(de)微弱光(guang)被(bei)系統的(de)電子噪(zao)聲覆蓋。該(gai)紙再次(ci)以(yi)2Hz的(de)正(zheng)弦驅動，并作為模擬信(xin)號。

圖5 Moku示波器測量(liang)的10 MHz弱(ruo)信(xin)號(hao)

調(diao)整(zheng)到(dao)(dao)Moku：示波器來查看(kan)光電探測(ce)器檢測(ce)到(dao)(dao)的10 MHz調(diao)制(zhi)信(xin)號。圖5顯示了從(cong)光電探測(ce)器接(jie)收的漫(man)反射(she)信(xin)號。與鏡子的強反射不同，示(shi)波器上(shang)檢測到的(de)信(xin)號與噪聲無法區分。但(dan)是(shi)，信(xin)號仍然存(cun)在，可以使用(yong)鎖相放大器進行提取。首先，需要調整輸(shu)入端增益(yi)。在這(zhe)種情況下(xia)，在前端選擇+48dB的(de)數(shu)字增益(yi)。該增益(yi)利用(yong)數(shu)字信(xin)號處理的(de)方法增加了(le)信(xin)號的(de)強度。在此階段，信(xin)號和噪聲都增加，導致(zhi)沒有SNR（信(xin)噪比）變化(hua)。

圖6 為(wei)測量弱(ruo)信號Moku鎖相放(fang)大器設置

現在(zai)該信號已經被(bei)調整到了(le)鎖(suo)相放大(da)器(qi)的動態(tai)范圍內，從(cong)而我們可以(yi)進一步消除噪(zao)聲。這(zhe)個可以(yi)通(tong)過(guo)調整鎖(suo)相放大(da)器(qi)中(zhong)的低通(tong)濾波器(qi)參(can)數來完成。在這種(zhong)情況(kuang)下，將濾波器(qi)調整為7 Hz - 剛(gang)好高于2Hz注(zhu)入(ru)信號。這將從測量中消(xiao)除(chu)盡可能多的聲。

圖6顯示(shi)了Moku鎖相放大器參數的(de)設置。結果如圖7所示(shi)。

圖7 Moku鎖相放大器測量的相位信號(hao)

可以看(kan)出，該信號可以在測量中被清(qing)楚地觀察(cha)到。對于(yu)測量中仍然存(cun)在的一些噪(zao)聲，并且可以通過降低低通濾波器截(jie)止(zhi)頻(pin)率來(lai)進一(yi)步優化，從(cong)而消(xiao)除更多噪(zao)聲。總之(zhi)，該實驗表(biao)明(ming)通過調整Moku鎖相放大(da)器的一(yi)些關鍵參數，能夠檢測出擴散物體的位移。

Moku：Lab鎖相放大器技術參數概要

Moku:Lab數(shu)字鎖(suo)相放大器(qi)支持(chi)雙相解調(XY/R?)頻率范圍(wei)DC-200MHz，動態(tai)儲(chu)備高達(da)100 dB。同時集成(cheng)來(lai)雙通(tong)道示波器(qi)和數(shu)據(ju)記錄(lu)器(qi)，可以高(gao)達500 MSa/s采樣率實時觀(guan)測信號，并可以高(gao)達1MSa/s速率記錄(lu)數據(ju)。

主要特點

雙相解調

內置PID控制器(qi)

優于80 dB動態儲(chu)備(bei)

直觀的數(shu)字信號處理示意框圖

內置(zhi)探測(ce)點用于信號監測(ce)和數據(ju)記錄

可(ke)切換(huan)矩形（X/Y）或極坐(zuo)標(biao)（R/θ）

支持內部(bu)和外(wai)部(bu)解調(diao)模式(shi)，包括PLL(鎖相環)

典型(xing)參數(shu)

解調頻率范(fan)圍：1mHz到200MHz

頻率分辨率：3.55μHz

相移精度：0.001°

輸入增益(yi)：-20dB/0dB/+24dB/+48dB

輸(shu)入阻抗：50Ω/1MΩ

可調(diao)時間常數(shu)：40ns到0.6s

濾波(bo)器滾降斜率：6dB/12dB倍(bei)頻程(cheng)

輸出增益范圍：±80dB

本機振(zhen)蕩器輸出頻率(lv)高達200MHz，可調振(zhen)幅

超快(kuai)數(shu)據采集：快(kuai)照模式(shi)高達500MS/s，連續采集高達1MS/s

應用案列

太赫茲時域光譜、時域熱反射測量（TDTR)          

氣體諧(xie)波測量(liang)實驗

激(ji)光器穩頻(pin)/鎖頻(pin)實驗(yan)                            

原子物理實驗

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(dian)實驗(yan)信號的分析和測量

電子工程類實驗

邁克爾遜干涉實驗

RC、RL電路實驗

對有用信(xin)號與噪聲信(xin)號分離的(de)數字濾波器實驗

光速的測量

系統(tong)輸(shu)出信號的(de)相位(wei)差(cha)測量(liang)(liang)以及幅值、頻(pin)率的(de)同時測量(liang)(liang)