本文内容将描述锁相放大器如何用于恢复弱光信号以实现位移测量。

介绍

随着对准确度和精度越来越高的要求，微弱信号检测技术已经在很多领域变得至关重要，特别是在雷达、声纳、通信、工业测量、机械系统的故障分析等领域。一些具体的例子包括材料分析中荧光强度的测量，天文学中卫星信号的接收，以及地震学中地震波形和波速的测量。然而，检测微弱信号是相当具有挑战性的，因为它通常淹没在来自系统本身或来自外部环境的噪声中。在本文中，我们将探讨如何运用锁相放大器从大量背景噪声中恢复弱小信号。

锁相放大器通常用于提取非常小的振荡信号。锁相放大器隔离出信号并滤除系统中的大部分不需要的噪声。

以下通过简单的位移测量演示锁相放大器如何有效应用于弱信号检测，实验设置如图1所示。激光信号经过调幅后（以10MHz作为调制频率）被物体反射并被光电探测器探测到。物体位移的变化可以通过测量调幅信号的相位来确定。

Moku：Lab同时用于生成调制信号（输出2）和测量光电探测器上检测到的信号（输入1）。

图1示例实验的光学设置。

我们将使用锁相放大器来处理信号，并通过测量从物体反射的调幅信号的相位，进而可以确定其位移。我们通过两个实验来展示锁相放大器的性能，一个检测强信号，另一个检测弱信号。

强信号测量

首先要了解我们期望从这样的系统测量什么信号，我们首先使用高反射率物体建立一个系统。在这种情况下，我们使用镜子。

为了模拟运动物体，将镜子安装在机械平台上，其与激光器的距离以2Hz的频率正弦移动并且位移为1cm。

光从镜子反射并在光电探测器上检测到。

为了获取强信号产生的强度（以及跟弱信号进行对比），我们可以首先在Moku：示波器上观察10 MHz调制信号。

图2在示波器上测量的强10 MHz信号。

图2显示了从光电探测器接收到的强烈、易观测的信号。由于信号强且可观察，因此可以直接简单地测量该信号的相位，并推断出镜子的位移变化。以上过程我们也可以通过使用锁相放大器来直接提取相位实现。

图3为测量强信号Moku：Lockin放大器设置。

图3显示了锁定放大器的设置。在这种情况下，调制信号取自内部本机振荡器。然后，本机振荡器将用于解调输入信号以获得输出1上的相位信号。

图4锁相放大器测量的相位信号

图4显示了使用锁相放大器直接测量到的相位变化。正如预期的那样，相位呈现大约2 Hz频率的正弦变化（用于驱动镜子的信号），由此可以看出系统对镜子位移的敏感性。

弱信号测量

在大多数情况下，物体反射如此大量光线非常罕见。更常见的情况是，光将会在物体上朝许多方向上发生非常扩散的漫反射，导致在光电探测器处接收的光很弱。在这些弱信号系统中，信号的检测不那么明显，需要使用更先进的信号处理技术。

为了证明这一点，我们再次设置实验来检测物体位移的变化。然而，这一次，我们使用扩散纸。与镜子不同，从纸张反射的光在朝多方向散射，因而在光电探测器上检测到的微弱光被系统的电子噪声覆盖。该纸再次以2Hz的正弦驱动，并作为模拟信号。

图5示波器测量的弱10 MHz信号

我们再次使用Moku：示波器来查看光电探测器检测到的10 MHz调制信号。图5显示了从光电探测器接收的漫反射信号。与镜子的强反射不同，示波器上检测到的信号与噪声无法区分。

但是，信号仍然存在，可以使用锁相放大器进行恢复。首先，我们调整输入端增益。在这种情况下，我们在前端选择+48 dB的数字增益。该增益利用数字信号处理的方法增加了信号的强度。在此阶段，信号和噪声都增加，导致无SNR（信噪比）变化。

图6 Moku：用于弱信号的Lockin放大器设置。

现在该信号已经被调整到了锁相放大器的动态范围内，从而我们可以进一步消除噪声。这个可以

通过调整锁相放大器中的低通滤波器参数来完成。在这种情况下，将滤波器调整为7 Hz - 刚好高于2 Hz注入信号。这将从测量中消除尽可能多的噪声。图6显示了锁定放大器参数的设置。结果如图7所示。

图7锁相放大器测量的相位信号。

我们看到，该信号可以在测量中被清楚地观察到。对于测量中仍然存在的一些噪声，并且可以通过降低低通滤波器截止频率来进一步优化，从而消除更多噪声。总之，该实验表明通过调整锁相放大器的一些关键参数，我们能够检测出扩散物体的位移。

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