隨著對準確度和精度越來越高的要求，微弱信號檢測技術已經在很多領域變得至關重要，特別是在雷達、聲納、通信、工業測量、機械系統的故障分析等領域。一些具體的例子包括材料分析中熒光強度的測量，天文學中衛星信號的接收，以及地震學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，因為它通常淹沒在來自系統本身或來自外部環境的噪聲中。在本文中，我們將探討如何運用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，隔離出信號并濾除系統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用于弱信號檢測，實驗設置如圖1所示。激光信號經過調幅后（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測量調幅信號的相位來確定。

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

圖1示例實驗的光學設置

我們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幅信號的相位，進而可以確定其位移。我們通過兩個實驗來展示鎖相放大器的性能，一個檢測強信號，另一個檢測弱信號。

強信號測量

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

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。

光從鏡子反射并在光電探測器上檢測到。

為了獲取強信號產生的強度（以及跟弱信號進行對比），我們可以首先在Moku：示波器上觀察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、易觀測的信號。由于信號強且可觀察，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，調制信號取自內部本機振蕩器。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生非常擴散的漫反射，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，需要使用更先進的信號處理技術。

為了證明這一點，我們再次設置實驗來檢測物體位移的變化。然而，這一次，我們使用擴散紙。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，并作為模擬信號。

圖5 Moku示波器測量的10 MHz弱信號

我們再次使用Moku：示波器來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法區分。

但是，信號仍然存在，可以使用鎖相放大器進行恢復。首先，我們調整輸入端增益。在這種情況下，我們在前端選擇+48 dB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，導致無SNR（信噪比）變化。

圖6 為測量弱信號Moku鎖相放大器設置

現在該信號已經被調整到了鎖相放大器的動態范圍內，從而我們可以進一步消除噪聲。這個可以通過調整鎖相放大器中的低通濾波器參數來完成。在這種情況下，將濾波器調整為7 Hz - 剛好高于2 Hz注入信號。這將從測量中消除盡可能多的噪聲。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

我們看到，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一步優化，從而消除更多噪聲。總之，該實驗表明通過調整Moku鎖相放大器的一些關鍵參數，我們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數字鎖相放大器支持雙相解調(XY/R?)頻率范圍DC-200MHz，動態儲備高達100 dB。同時集成來雙通道示波器和數據記錄器，可以高達500 MSa/s采樣率實時觀測信號，并可以高達1MSa/s速率記錄數據。

主要特點

· 優于80 dB動態儲備

· 直觀的數字信號處理示意框圖

· 內置探測點用于信號監測和數據記錄

· 支持內部和外部解調模式，包括PLL(鎖相環)

· 雙相解調

· 可切換矩形（X/Y）或極坐標（R/ θ）

· 內置PID控制器

典型參數

· 解調頻率范圍：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

· 可調時間常數：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

· 本機振蕩器輸出頻率高達200 MHz，可調振幅

· 超快數據采集：快照模式高達500 MS/s，連續采集高達1MS/s

除了鎖相放大器，Moku:Lab還免費集成了示波器、頻譜分析儀、波形發生器、相位表、數據記錄器、激光鎖頻/穩頻、PID控制器、波特分析儀、數字濾波器、任意波形發生器、FIR濾波器生成器十二個專業儀器功能于一臺設備。

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　　審核編輯：湯梓紅