微弱信号检测讲座第三讲 相关检测及其在锁相放大器中的应用

实际信号的检测,不可避免地要受到各种噪声的干扰.这种噪声干扰限制了测量所能达到的精确性和灵敏度.所以,信号检测的首要问题是抑制噪声提高信噪比.线性滤波是一种常用的抑制噪声方法.但是,当噪声功率超过信号功率很多时,简单的滤波不再有效,需要借助专门的微弱信号检测技术来检测和恢复原始信号.相关检测是其中重要的方法之一.它是人们利用周期信号及噪声自相关函数特性的不同以及信号与噪声不相关等特性,实现在噪声干扰中检测周期信号的方法.锁相放大器就是在此基础上发展起来的一种微弱信号检测仪器. 一、检测噪声中的信号 图1(a)是信号…     

基于数字锁相放大技术的强噪声背景下检测微弱信号教学实验

介绍了锁相放大技术在噪声背景下检测微弱交流信号的原理,研制出结合锁相放大器使用的微弱信号检测教学设备及其实验系统.利用OE1022型锁相放大器进行噪声中微弱交流信号测量实验,验证该系统功能.实验结果表明:使用该实验系统可以准确检测淹没在有效值比自身高104的白噪声中的微伏级交流信号.     

OE5001微弱信号检测教学实验箱(配套数字锁相放大器使用)

正锁相放大器特征参数:测量信号的频率范围为1mHz至102kHz;满量程刻度输出时的输入电平为1nV至1V;时间常数为10μs至3ks,动态储备大于100dB。教学实验箱功能:强噪声背景下信号提取、微小阻抗测量、白噪声测量、声速测量等。并配套教学视频及教学讲义。概述中山大学物理学国家级示范中心从事微弱信号检测的科研及教学仪器十多年,推出了一系列面向科研及实验教学的微弱信号检测仪器,并申请了数十项专利。在科研方面推出的数字锁相放大器OE1022在稳定性、收敛     

单光子计数─—弱光信号检测的有力手段

通常,在一些基本的科学研究领域,特别是在某些前沿学科,诸如分子生物学、高分辨率光谱学、表面物理学、非线性光学、束箔光谱学的研究等方面,都会遇到极微弱的光信息的检测问题.这里,光流强度通常比光电倍增管本身的热噪声水平(10-14瓦特)还要弱,以致于一般的直流检测方法已很难从这种噪声水平下检测出信号.因而常将弱光进行交流调制,利用锁相放大器来提取信息.这种方法是靠压缩系统信息带宽的方法来滤去噪声的.但是当噪声与信号有同样的频谱,或者信号是宽频谱时,锁相放大器便无能为力了.另外,由于模拟积分电路漂移的存在,积分时间往往只能…     

锁相放大器在光谱实验中的一个应用

锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器,在科学研究中有着广泛的应用。因此,培养学生掌握这方面的技术和应用,在物理实验教学中,是一个很有意义的课题。本文介绍锁相放大器在He—Ne激光旁侧光谱的研究中的应用。     

红外气体检测中谐波信号正交锁相放大器设计与实现

基于可调谐激光光谱吸收法的红外气体检测,为了从差分信号中有效提取出一次和二次谐波信号,研发了一种谐波信号正交锁相放大器.采用正交锁相放大及谐波检测原理,利用Simulink软件平台构建了模拟实验系统,对其功能做了仿真和验证.采用数字信号处理器作为核心控制器,设计并制作出了谐波信号锁相放大器的系统实物,它主要由90°移相器、两路模拟乘法器、两路低通滤波器、差分信号放大器、模数转换器等构成.实验中,首先利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号,对锁相放大器的输出信号幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者线性拟合优度高达0.999 94,最大误差小于4%,具有良好线性度;其次,将模拟吸收产生的差分信号作为待测信号,利用基频方波和二倍频方波分别作为参考信号,提取谐波信号,因二次谐波信号微弱易受噪音干扰,其误差在5%以内,一次谐波最大误差小于3.5%.系统具有良好的稳定性和性价比,在红外气体检测中具有较好的应用前景.     

锁相放大器的研究进展

锁相放大器可同时在时间与幅度两个维度实现高精度信号测量,是精密系统测控的关键部件.本文以锁相放大器的概念、技术与应用的概貌作为导引,先以模拟、数字以及虚拟锁相放大器的主要关系与区分方法说明锁相放大器的发展演变,继而按照锁相环的阶与型从数学角度对锁相放大器进行分类.随后介绍锁相放大器的幅度、频率与相位噪声等主要性能的测试流程与计量标定进展,讨论相位噪声、时域抖动、阿伦方差等关键指标之间的换算关系以及和幅度噪声之间的耦合关联.最后,列举锁相放大器在光谱增强、阻抗分析、磁性测量、显微成像、空间探测领域的应用形式与效果,通过一些新型应用展望它通过智能计算、精准物联等途径从科学仪器走向工业甚至民品的前景.     

准连续激光调制吸收光谱的解调方法研究

针对准连续激光调制吸收光谱谐波信号的解调,设计了一种专用的准连续软件锁相放大器,对采集的数据做有效性判断、 无效数据滤除、 数字相敏检测、 数字滤波等处理,实现了准连续激光调制吸收光谱的谐波信号解调。 构建气体检测实验系统,对准连续软件锁相放大器和商品化的高性能锁相放大器进行了对比实验,结果表明,使用准连续软件锁相放大器的Allan方差比后者小1个数量级、 检测限低2倍。 并能够解决小占空比时的信号失锁问题,具有小的信号波形失真。     

数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5%时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96~98s;气体浓度为20 000ppm时,测试浓度波动范围为-92ppm~+118ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景.     

用电路噪声测量玻尔兹曼常量和电子电荷

设计并搭建热噪声和散粒噪声测试电路系统,利用锁相放大器,从极强的背景噪声中提取微弱待测电信号,输入参考信号实现频谱搬移测量法,测定了玻尔兹曼常量k和电子电荷e.该实验能够加深学生对电路噪声特性的理解,掌握锁相放大器技术和微弱信号测量方法.     

光伏板积尘散射检测中的去噪方法研究

由于光伏板测得的灰尘散射数据受到各种噪声和干扰因素的影响,导致测量数据的误差大。因此,为了得到准确的检测结果,提出了一种结合卡尔曼滤波和数字锁相放大技术的信号去噪方法,对混合了噪声的光伏板灰尘散射信号进行去噪处理。通过仿真实验和对实测的光伏板灰尘散射信号去噪,并计算信噪比、均方根误差和平滑度,验证了联合算法的去噪性能。结果表明,卡尔曼滤波和数字锁相放大器联合去噪算法的信噪比比单一数字锁相放大器去噪算法提高了36%,能够有效降低光电探测系统中的噪声干扰,提高光电探测系统的精度和稳定性。     

功能性近红外光谱系统及锁相放大器算法的研究

功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)技术是一种新兴的非侵入式光学技术,该技术可以测量脑皮层的功能性活动信息。介绍了单通道fNIRS系统的开发,为了验证系统的性能,2人参与了算数运算任务,获得了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。锁相放大器在fNIRS系统中可以很好地提取淹没在噪声中微弱的光强信号,但是模拟锁相放大器价格昂贵,对多通道系统来说是很大的负担。设计了数字锁相放大器算法,通过与模拟锁相进行比较,结果表明设计的数字锁相放大器可以取代价格昂贵的模拟锁相放大器。     

面向脉冲量子级联激光器气体检测的锁相放大器

为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中,精确提取窄脉冲传感信号的幅度,设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点,窄脉冲信号经过窄带通滤波电路,得到基频正弦波信号,再经过主放大、移相、相敏检波电路,得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号,对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明,锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系,线性拟合度约为98.043%;信号幅值的相对测量误差不超过3%;在1 h的测试时间内,信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器,开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内,随着一氧化碳浓度的增加,锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据A11an方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比,该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点,在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景.     

基于锁相放大原理的微弱光信号检测系统设计

为了解决强噪声背景下微弱光信号检测难的问题,介绍了一种基于锁相放大原理的微弱光信号检测系统。系统采用对1 550nm的DFB激光进行调制的方法产生前级信号,利用PIN光电二极管产生的电流信号作为原始信号,经过前级放大、锁相放大及低通滤波电路还原调制信号。系统采用OPA124作为前级运放,AD630作为锁相放大器,参考信号和调制信号均由DDS芯片AD9850产生。滤波电路、移相电路和调制电路均采用高精度运放OP07来设计。实验结果表明,该系统具有很高的线性度,灵敏度为4.51V/V,精度大于0.05%,是一种高精度、高实用性的微弱光信号检测系统。     

三路光纤放大器相干合成技术的实验研究

实验上实现了三路保偏光纤放大器稳定的锁相控制，达到相干合成的输出目的.介绍了实验方案，详细阐述了相位检测与控制的方法并以一路信号光为例给出了相位噪声的测量结果.最后给出了相干合成的远场图样并对其影响因素加以简单分析.实验表明，利用提出的方案增加相干合成的路数是可行的. 关键词： 光纤放大器 相干合成 锁相     

基于FPGA的多通道同步数字锁相放大器

针对多通道弱信号检测的需求,提出了基于FPGA的多通道数字锁相同步检测技术方案。锁相放大器的相敏检波和低通滤波功能采用数字互相关算法实现。通过理论分析,优化了系统设计参数,减少了离散化效应和量化误差对锁相高次谐波抑制能力和动态储备的影响,并用仿真程序对互相关算法和选定的参数进行了验证。所研制的基于FPGA的四通道同步数字锁相放大器具有体积小和成本低等特点,其动态储备达100 dB,极限检测灵敏度达到10 nV,输入噪声密度为■,通道隔离度大于80 dB。     

前置放大器在高频信号检测系统中的作用

利用约瑟夫森效应获取电磁信号的频谱信息是超导电子学的重要应用之一.我们在实验室已搭建的高频信号频谱检测系统基础上,研究了前置放大器的噪声参数对整个高频信号检测系统性能产生的影响.通过实验,我们将两个不同输入电压噪声密度的低噪声放大器应用于检测系统,并对所得的结果进行了比较.讨论了在前置放大器方面对基于约瑟夫森效应的液氮温区的小型高频信号检测系统进行改进的可能性.     

锁相放大器──一种检测微弱信号的手段

一、实验物理中的有力工具 随着科研和生产的发展,越来越需要测量微弱的信号,恢复及记录其变化.特别是各种物理量的精细结构以及在临界点附近的异常现象,往往引起人们的关心.这些情况下的被测信号常常是深埋在噪声中的微弱信号.例如俄歇谱仪是用来进行表面分析的一种新型分析仪器,它可以鉴定厚度仅几个到等效于几分之一个分子层或5—100A的固体表面.但是由于俄歇电子发射是一个二次效应,俄歇峰处于非弹性散射电子的背景中,虽然1925年即已发现了这个效应,可是直到1968年工作进展甚微.用锁相放大器成功地解决了深埋在噪声中的俄歇峰的检出.又…     

锁相放大器在介电测量中的应用

锁相放大器具有灵敏度高、抗干扰性强的优点,已成为微弱信号检测的有力工具.它不仅同一般交流电压表一样可以测量信号电压的振幅,而且可以测量信号电压相对于参考电压的相位.也就是说,锁相放大器可以测量矢量电压.我们将锁相放大器的这一特点用于测定介质样品的复阻抗,进而确定样品的损耗、等效电阻、等效电容和介电常数. 与电桥相比,用锁相放大器测量样品的复阻抗有如下优点:1.抗干扰能力强,异于信号频率的杂散信号不容易干扰被测系统;2.大多数电桥只有一个或两个固定的测量频率,而锁相放大器一般都可以在较宽的频率范围内应用.例如,我们用…     

基于半导体光放大器的相位调制信号再生器

对相位调制光通信系统进行幅度和相位的同时再生十分必要。采用半导体光放大器(SOA)作为非线性媒介,搭建一个非线性的马赫曾德尔干涉仪作为再生器,利用SOA的增益特性,在锁相本地振荡抽运源的驱动下,实现对相位调制信号的幅度和相位的同时再生。理论推导了入射光信号经过基于SOA的再生器后的光场分布公式;讨论了不同入射信号光功率下,抽运光与信号光的相位差对信号功率增益的影响,给出了入射光的最优参数;数值仿真了带有噪声的相位调制信号再生前后的相位分布、强度分布和误码率。研究结果表明,基于SOA的光再生器有良好的再生效果。