產(chǎn)品特點(diǎn)

節(jié)省工作臺(tái)空間、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境

可遠(yuǎn)程控制，滿足嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求

小巧輕便、隨時(shí)隨地戶外工作

Moku：Lab鎖相放大器在微弱信號(hào)檢測的應(yīng)用

隨著對準(zhǔn)確度和精度越來越高的要求，微弱信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)。

鎖相放大器通常用于提取非常小的振蕩信號(hào)，提取出目標(biāo)信號(hào)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(hào)檢測，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。激光信號(hào)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(hào)的相位來確定。

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

本次實(shí)驗(yàn)將使用鎖相放大器來處理信號(hào)，并通過測量從物體反射的調(diào)幅信號(hào)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(hào)，另一個(gè)檢測弱信號(hào)。

強(qiáng)信號(hào)測量

首先需要確定從這樣的系統(tǒng)中測量什么樣的信號(hào)，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(hào)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(dòng)物體，將鏡子安裝在機(jī)械平臺(tái)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(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生的強(qiáng)度（以及跟弱信號(hào)進(jìn)行對比），可以首先在Moku：示波器上觀察10 MHz調(diào)制信號(hào)。

圖2 在Moku示波器上測量的強(qiáng)10 MHz信號(hào)

圖2顯示了從光電探測器接收到的強(qiáng)烈、易觀測的信號(hào)。由于信號(hào)強(qiáng)且可觀察，因此可以直接簡單地測量該信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)以獲得輸出1上的相位信號(hào)。

圖4 Moku鎖相放大器測量的相位信號(hào)

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(dòng)鏡子的信號(hào)），由此可以看出系統(tǒng)對鏡子位移的敏感性。

弱信號(hào)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(huì)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(hào)系統(tǒng)中，信號(hào)的檢測不那么明顯，需要使用更精確的信號(hào)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(dòng)，并作為模擬信號(hào)。

圖5 Moku示波器測量的10 MHz弱信號(hào)

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(hào)。圖5顯示了從光電探測器接收的漫反射信號(hào)。與鏡子的強(qiáng)反射不同，示波器上檢測到的信號(hào)與噪聲無法區(qū)分。但是，信號(hào)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(hào)處理的方法增加了信號(hào)的強(qiáng)度。在此階段，信號(hào)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(hào)Moku鎖相放大器設(shè)置

現(xiàn)在該信號(hào)已經(jīng)被調(diào)整到了鎖相放大器的動(dòng)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(hào)。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(hào)

可以看出，該信號(hào)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。

Moku：Lab鎖相放大器技術(shù)參數(shù)概要

Moku:Lab數(shù)字鎖相放大器支持雙相解調(diào)(XY/R?)頻率范圍DC-200MHz，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備高達(dá)100 dB。同時(shí)集成來雙通道示波器和數(shù)據(jù)記錄器，可以高達(dá)500 MSa/s采樣率實(shí)時(shí)觀測信號(hào)，并可以高達(dá)1MSa/s速率記錄數(shù)據(jù)。

主要特點(diǎn)

雙相解調(diào)

內(nèi)置PID控制器

優(yōu)于80 dB動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備

直觀的數(shù)字信號(hào)處理示意框圖

內(nèi)置探測點(diǎn)用于信號(hào)監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄

可切換矩形（X/Y）或極坐標(biāo)（R/θ）

支持內(nèi)部和外部解調(diào)模式，包括PLL(鎖相環(huán))

典型參數(shù)

解調(diào)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(diào)時(shí)間常數(shù)：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(jī)振蕩器輸出頻率高達(dá)200MHz，可調(diào)振幅

超快數(shù)據(jù)采集：快照模式高達(dá)500MS/s，連續(xù)采集高達(dá)1MS/s

應(yīng)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(yàn)

激光器穩(wěn)頻/鎖頻實(shí)驗(yàn)                            

原子物理實(shí)驗(yàn)

飛秒脈沖受激拉曼損耗顯微成像

微弱信號(hào)測量

光聲粘彈性成像測量

光聲光譜測量

光電實(shí)驗(yàn)信號(hào)的分析和測量

電子工程類實(shí)驗(yàn)

邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)

RC、RL電路實(shí)驗(yàn)

對有用信號(hào)與噪聲信號(hào)分離的數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)

光速的測量

系統(tǒng)輸出信號(hào)的相位差測量以及幅值、頻率的同時(shí)測量