微弱信号检测
procast-困囚五行山
2023年2月20日发(作者：余融)微弱信号检测_锁相放⼤器在微弱信号检测的应⽤
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10MHz调制信号。
图2在⽰波器上测量的强10MHz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2Hz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10MHz信号
我们再次使⽤Moku：⽰波器来查看光电探测器检测到的10MHz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+48dB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6Moku：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7Hz-刚好⾼于2Hz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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