鎖定放大器在激光煙霧測試系統(tǒng)中的應(yīng)用方法探討

引 言

激光煙霧衰減測試系統(tǒng)的主要功能是測量紅外激光（1.06um和10.6um）在特制煙霧中的傳輸性能。在工作時(shí)，發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射紅外激光，使其在大氣中傳輸一段距離，在其光路上施放特制的煙霧，測試系統(tǒng)測試該激光通過煙霧到達(dá)接收系統(tǒng)時(shí)的強(qiáng)度變化情況。由于自然界中存在各種紅外輻射源（物體對光的反射、物體自身輻射、周圍環(huán)境的輻射等），其強(qiáng)度有時(shí)甚至比信號還要強(qiáng)，因而在測量過程中，強(qiáng)烈的背景輻射都將不可避免地進(jìn)入測試系統(tǒng)，構(gòu)成所謂的背景噪聲；此外，大氣湍流擾動對紅外激光輻射的干擾也不能忽視。如何有效地去除噪聲的影響同時(shí)得到我們所期望的高精度的數(shù)據(jù)是我們所面臨的主要問題。鎖定放大器所具有的強(qiáng)大抗噪聲能力使得這個(gè)問題能夠得到很好的解決。本文將對鎖定放大器的功能特性及在激光煙霧測試系統(tǒng)中的應(yīng)用方法作以探討和研究。

煙霧衰減測試系統(tǒng)中所存在的噪聲問題

在激光煙霧衰減測試系統(tǒng)中各種干擾因素比較多。自然界中，太陽、月亮、星星、地面等均為自然紅外輻射源，在進(jìn)行野外測試（外場測試）情況下，自然輻射源的輻射都會干擾紅外儀器的工作，對系統(tǒng)的測試結(jié)果將會產(chǎn)生較大的影響?？梢詫⑦@種干擾稱為背景輻射干擾。紅外系統(tǒng)在野外進(jìn)行測量時(shí)，自然輻射源所造成的強(qiáng)烈背景輻射都將不可避免進(jìn)入系統(tǒng)。這些輻射經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后即成為直流背景信號，其強(qiáng)度有時(shí)甚至比有用信號大幾個(gè)數(shù)量級。如果直接采用直流放大的方法對紅外輻射進(jìn)行測量將會導(dǎo)致很大的的誤差碼。

針對這種情況，在傳統(tǒng)的紅外系統(tǒng)中經(jīng)常采用變換的方法即將紅外輻射調(diào)制成交流信號后再將其發(fā)射出去。我們可以用調(diào)制盤（斬波器）完成這個(gè)任務(wù)。調(diào)制盤將直流輻射信號變換成交流信號，該信號可以由交流放大器或相關(guān)的檢測儀器進(jìn)行放大處理，以此來削弱直流漂移和直流背景。但是，這種方法只能粗略地去掉背景噪聲中的直流成分，而對接近于調(diào)制盤調(diào)制頻率的背景輻射干擾無能為力，尤其是當(dāng)背景輻射干擾的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測量的紅外輻射強(qiáng)度時(shí)更是如此，因此我們必須找到一種方法來去除這種干擾。

鎖定放大器的工作原理和構(gòu)成

同步相干檢測技術(shù)在近20年來得到了快速發(fā)展，是從強(qiáng)噪聲中提取弱信號的重要手段，在各種學(xué)科領(lǐng)域尤其是電子學(xué)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。信息論和隨機(jī)過程理論是其主要的理論基礎(chǔ)，主要的內(nèi)容有相關(guān)函數(shù)和相關(guān)接收（又稱相關(guān)檢測）等。這種技術(shù)利用信號周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn)，即信號和噪聲兩個(gè)互不相關(guān)，通過相關(guān)運(yùn)算（自相關(guān)或互相關(guān)），達(dá)到去除噪聲的目的。

相關(guān)檢測原理

相關(guān)檢測原理如圖所示：

圖1 　互相關(guān)檢測原理圖

圖中f1（t）為接收端輸入信號， f2（t）為本地信號，其重復(fù)周期與輸入信號中s1（t）的重復(fù)周期相同并且是“干凈的”， n1（t）是噪聲信號。

設(shè)輸入信號：

f1（t）= s1（t）+n1（t）

本地信號是：

f2（t）=s2（t）

則其相關(guān)函數(shù)

上式中τ是所研究兩點(diǎn)的時(shí)間間隔， 即兩信號間的時(shí)延。

因信號與隨機(jī)噪聲發(fā)生相互獨(dú)立， 其互相關(guān)函數(shù)將是一個(gè)常數(shù)，等于兩個(gè)隨機(jī)函數(shù)平均值的積。若其中一個(gè)平均值是零，則相關(guān)函數(shù)為零。因噪聲平均值為零， 所以上式中Rns2（τ）為零。因此相關(guān)函數(shù)的輸出只是信號與本地信號的相關(guān)結(jié)果，噪聲被去掉。在實(shí)際應(yīng)用中，只有在計(jì)算相關(guān)函數(shù)求平均值的時(shí)間比較長時(shí)， Rns2

（τ）才近于零， 從而得到較高的輸出信號噪聲比，該時(shí)間可由試驗(yàn)確定。一般其值為積分器所采用的低通濾波器的時(shí)間常數(shù)RC 值的4—5倍。

由以上簡單的公式推導(dǎo)我們可以看出互相關(guān)運(yùn)算的確可以大幅度地去除噪聲的影響。鎖定放大器就是利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測儀，是對被測信號和參考信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備。它具有十分窄小的信號和噪聲帶寬，依照通常帶通濾波器Q 值的含義，其等效Q值可達(dá)到108量級，這是常規(guī)濾波器所無法達(dá)到的。

鎖定放大器的組成結(jié)構(gòu)

下面對鎖定放大器的組成結(jié)構(gòu)作以簡要的說明。典型的鎖定放大器如圖2所示。圖2中可以看出，一般鎖定放大器可以分為3個(gè)部分，即：信號通道、參考通道和相關(guān)器（在積分器后面還應(yīng)有直流放大器，圖中未畫出），下面分別介紹各自功能及組成：

相關(guān)器

相關(guān)器是鎖定放大器的關(guān)鍵部件，包括乘法器和積分器2部分，它最終完成被測信號與參考信號互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算。它必須具有動態(tài)范圍大、漂移小、時(shí)間常數(shù)可調(diào)、增益穩(wěn)定和頻率范圍寬等特點(diǎn)。它要求輸入信號為正弦波或方波，如果被測信號是直流信號，則可用斬波器先將它轉(zhuǎn)換為交流方波再進(jìn)行轉(zhuǎn)換檢測。

圖2 　鎖定放大器的組成結(jié)構(gòu)原理圖

信號通道

信號通道位于相關(guān)器之前，由輸入放大器、低噪聲前置放大器、各種有源濾波器和放大器組成。其作用是放大弱信號到足以推動相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾除部分噪聲和干擾的功能，擴(kuò)大儀器的動態(tài)范圍。其前置放大器最佳信號源電阻必須能夠與不同傳感器進(jìn)行噪聲匹配以得到最佳噪聲特性。

參考通道

其作用是輸出和輸入信號同步的、占空比為1 ：1 的、具有一定幅度的對稱方波，以驅(qū)動相關(guān)器。由觸發(fā)電路、倍頻電路、相移電路、方波產(chǎn)生和驅(qū)動電路等組成。

直流放大器

這也是鎖定放大器的一個(gè)重要部分，在圖中沒有畫出。其主要的功能是將積分器輸出的直流或緩變信號放大，使其滿足后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對信號的要求。直流放大器的主要問題是零漂的影響，考慮到前級相關(guān)器的輸出可能很小，因此應(yīng)選擇低漂移的運(yùn)算放大器作為直流放大器的前置級，同時(shí)要有盡量小的1/f噪聲。

激光煙霧衰減測試系統(tǒng)的構(gòu)成及鎖定放大器的應(yīng)用

激光煙霧衰減測試系統(tǒng)的構(gòu)成

紅外系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)光學(xué)—電子系統(tǒng)，其基本功能是將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成為電信號并利用它去達(dá)到某種實(shí)際應(yīng)用的目的。激光煙霧衰減測試系統(tǒng)是一個(gè)典型的紅外系統(tǒng)，因而具有一般紅外系統(tǒng)所具有的特征：既包括光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制盤、紅外探測器、電子線路和顯示紀(jì)錄裝置等。連續(xù)的紅外輻射調(diào)制盤調(diào)制成交變信號輸出，在傳輸過程中受到大氣中某些氣體分子的選擇性吸收和紅外煙霧中懸浮微粒（氣溶膠）的散射而衰減，上述被衰減的紅外輻射被光學(xué)系統(tǒng)接收并聚焦到紅外探測器響應(yīng)平面上，紅外探測器將紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦抛罱K分析處理，這就是激光煙霧衰減測試系統(tǒng)的工作原理。

如上所述，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3（這里只畫出接收部分）所示。

圖3 激光煙霧衰減測試系統(tǒng)接收部分簡圖

從圖3中可以看到，鎖定放大器可以應(yīng)用在探測器后面的信號調(diào)理電路中，對探測器傳來的反映激光強(qiáng)度大小的電信號進(jìn)行去噪聲處理，之后將信號送給下一級的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行解釋分析。其工作過程如下：紅外激光信號及紅外背景噪聲一同通過光闌，經(jīng)光學(xué)調(diào)制盤調(diào)制后變成交流方波信號，再經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)射入紅外探測器的光敏面上，探測器輸出與激光強(qiáng)度有一定關(guān)系的正弦波交流信號送入鎖定放大器進(jìn)行測量，測量后的結(jié)果經(jīng)信號調(diào)理電路進(jìn)行處理后將被送往下一級數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析處理。相關(guān)放大器的參考信號是由控制光學(xué)調(diào)制盤的振蕩源給出的。由圖中可以看出，相關(guān)放大器在本系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，地位非常重要。

鎖定放大器在實(shí)際應(yīng)用過程中需要注意的幾個(gè)問題

這里需要說明：鎖定放大器雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但它在實(shí)際應(yīng)用過程中有幾個(gè)問題需要注意。相關(guān)解調(diào)器的測量時(shí)間及對測量結(jié)果的影響圖1 所示的相關(guān)解調(diào)器的積分運(yùn)算，一般是采用RC低通濾波器來實(shí)現(xiàn)，這種低通濾波器相當(dāng)于時(shí)間常數(shù)為3RC—5RC的積分器。因此，相關(guān)解調(diào)器的積分時(shí)間不能無限長（任何信號都不可能做到測量時(shí)間無限長）。顯然，有限長時(shí)間內(nèi)的互相關(guān)運(yùn)算不可能完全去除噪聲。在允許的情況下，測量的時(shí)間越長，可以檢測的信號越小。

參考信號的獲取

相關(guān)器是鎖定放大器的關(guān)鍵部件。在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算時(shí)，必須要有一個(gè)幅度恒定、與信號同頻率的方波參考信號。在很多鎖定放大器的應(yīng)用場合，這個(gè)參考信號可以從振蕩器獲得（如圖中所示），再使被測信號也具有這個(gè)頻率，這樣就實(shí)現(xiàn)了同頻的要求，進(jìn)而就可以完成在觀測噪聲中正弦信號幅度的檢測。一般來講，商品化的斬波器中都有參考信號的輸出可供使用。另外，其幅度通常應(yīng)大于100mV以上。

參考信號的相位

在檢測時(shí)不可能預(yù)先知道被測信號的相位，因此相關(guān)解調(diào)器中必須設(shè)置參考信號的移相電路，以調(diào)節(jié)相位達(dá)到與被測信號相同或反相。相位的變化應(yīng)能夠在0—360度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

鎖定放大器的信噪比改善程度

鎖定放大器的信噪比改善程度為SNIR=2Bin/△fn，Bin為相關(guān)解調(diào)器前面帶通濾波器的帶寬，△fn是低通濾波的噪聲帶寬。由于△fn 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Bin ，因此信號的信噪比將大大改善。但是當(dāng)噪聲過大時(shí)，器件的非線性特性使乘法器不再具有理想乘法特性，進(jìn)入過載狀態(tài)，此時(shí)的相關(guān)解調(diào)器輸出信噪比迅速惡化，因此，在應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使相關(guān)解調(diào)器具有大的過載能力； 此外， △fn過小會使測量時(shí)間過長，因此應(yīng)該認(rèn)識到：相關(guān)解調(diào)器的信噪比改善程度是有限的。

結(jié) 語

從上面的討論可以看出，激光煙霧衰減測試系統(tǒng)中的調(diào)制盤使紅外激光輻射由直流輻射變成了交變輻射，并且其輸出的參考信號可以直接供鎖定放大器使用，從而充分滿足了鎖定放大器在本系統(tǒng)應(yīng)用中所需要的2個(gè)主要條件。應(yīng)用鎖定放大器后，系統(tǒng)的測量精度大大提高，抗背景輻射干擾的能力也大大增強(qiáng)，為煙霧研究部門測試煙霧的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)提供了更精確的測量手段。