鎖定放大器在測(cè)試系統(tǒng)中抗噪聲的應(yīng)用研究

激光煙霧衰減測(cè)試系統(tǒng)的主要功能是測(cè)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(cè)試系統(tǒng)測(cè)試該激光通過(guò)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(duì)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(hào)還要強(qiáng)，因而在測(cè)量過(guò)程中，強(qiáng)烈的背景輻射都將不可避免地進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)，構(gòu)成所謂的背景噪聲；此外，大氣湍流擾動(dòng)對(duì)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(wèn)題。鎖定放大器所具有的強(qiáng)大抗噪聲能力使得這個(gè)問(wèn)題能夠得到很好的解決。本文將對(duì)鎖定放大器的功能特性及在激光煙霧測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用方法作以探討和研究。

煙霧衰減測(cè)試系統(tǒng)中所存在的噪聲問(wèn)題

在激光煙霧衰減測(cè)試系統(tǒng)中各種干擾因素比較多。自然界中，太陽(yáng)、月亮、星星、地面等均為自然紅外輻射源，在進(jìn)行野外測(cè)試(外場(chǎng)測(cè)試)情況下，自然輻射源的輻射都會(huì)干擾紅外儀器的工作，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生較大的影響。可以將這種干擾稱為背景輻射干擾。紅外系統(tǒng)在野外進(jìn)行測(cè)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(hào)，其強(qiáng)度有時(shí)甚至比有用信號(hào)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如果直接采用直流放大的方法對(duì)紅外輻射進(jìn)行測(cè)量將會(huì)導(dǎo)致很大的的誤差碼。

針對(duì)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(hào)后再將其發(fā)射出去。我們可以用調(diào)制盤(pán)(斬波器)完成這個(gè)任務(wù)。調(diào)制盤(pán)將直流輻射信號(hào)變換成交流信號(hào)，該信號(hào)可以由交流放大器或相關(guān)的檢測(cè)儀器進(jìn)行放大處理，以此來(lái)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(duì)接近于調(diào)制盤(pán)調(diào)制頻率的背景輻射干擾無(wú)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(cè)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(lái)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(cè)技術(shù)在近20年來(lái)得到了快速發(fā)展，是從強(qiáng)噪聲中提取弱信號(hào)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(guò)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(cè))等。這種技術(shù)利用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn)，即信號(hào)和噪聲兩個(gè)互不相關(guān)，通過(guò)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(cè)原理
相關(guān)檢測(cè)原理如圖所示：

圖1 　互相關(guān)檢測(cè)原理圖

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

設(shè)輸入信號(hào)：
f1(t)= s1(t)+n1(t)
本地信號(hào)是：
f2(t)=s2(t)
則其相關(guān)函數(shù)

上式中τ是所研究?jī)牲c(diǎn)的時(shí)間間隔， 即兩信號(hào)間的時(shí)延。

因信號(hào)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(hào)與本地信號(hào)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(zhǎng)時(shí)， Rns2
(τ)才近于零， 從而得到較高的輸出信號(hào)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(jiǎn)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(cè)儀，是對(duì)被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)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(hào)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(jí)，這是常規(guī)濾波器所無(wú)法達(dá)到的。

鎖定放大器的組成結(jié)構(gòu)
下面對(duì)鎖定放大器的組成結(jié)構(gòu)作以簡(jiǎn)要的說(shuō)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(hào)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(huà)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(cè)信號(hào)與參考信號(hào)互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算。它必須具有動(dòng)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(hào)為正弦波或方波，如果被測(cè)信號(hào)是直流信號(hào)，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(cè)。

圖2 　鎖定放大器的組成結(jié)構(gòu)原理圖

信號(hào)通道
信號(hào)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(hào)到足以推動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍。其前置放大器最佳信號(hào)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(hào)同步的、占空比為1 ：1 的、具有一定幅度的對(duì)稱方波，以驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(méi)有畫(huà)出。其主要的功能是將積分器輸出的直流或緩變信號(hào)放大，使其滿足后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的要求。直流放大器的主要問(wèn)題是零漂的影響，考慮到前級(jí)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(jí)，同時(shí)要有盡量小的1/f噪聲。

激光煙霧衰減測(cè)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(cè)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(hào)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(cè)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(pán)、紅外探測(cè)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(pán)調(diào)制成交變信號(hào)輸出，在傳輸過(guò)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(cè)器響應(yīng)平面上，紅外探測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的工作原理。

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

圖3 激光煙霧衰減測(cè)試系統(tǒng)接收部分簡(jiǎn)圖

從圖3中可以看到，鎖定放大器可以應(yīng)用在探測(cè)器后面的信號(hào)調(diào)理電路中，對(duì)探測(cè)器傳來(lái)的反映激光強(qiáng)度大小的電信號(hào)進(jìn)行去噪聲處理，之后將信號(hào)送給下一級(jí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行解釋分析。其工作過(guò)程如下：紅外激光信號(hào)及紅外背景噪聲一同通過(guò)光闌，經(jīng)光學(xué)調(diào)制盤(pán)調(diào)制后變成交流方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)射入紅外探測(cè)器的光敏面上，探測(cè)器輸出與激光強(qiáng)度有一定關(guān)系的正弦波交流信號(hào)送入鎖定放大器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后的結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理后將被送往下一級(jí)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(hào)是由控制光學(xué)調(diào)制盤(pán)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(guò)程中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題
這里需要說(shuō)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(guò)程中有幾個(gè)問(wèn)題需要注意。相關(guān)解調(diào)器的測(cè)量時(shí)間及對(duì)測(cè)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(lái)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(wú)限長(zhǎng)(任何信號(hào)都不可能做到測(cè)量時(shí)間無(wú)限長(zhǎng))。顯然，有限長(zhǎng)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(cè)量的時(shí)間越長(zhǎng)，可以檢測(cè)的信號(hào)越小。

參考信號(hào)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(hào)同頻率的方波參考信號(hào)。在很多鎖定放大器的應(yīng)用場(chǎng)合，這個(gè)參考信號(hào)可以從振蕩器獲得(如圖中所示)，再使被測(cè)信號(hào)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(cè)噪聲中正弦信號(hào)幅度的檢測(cè)。一般來(lái)講，商品化的斬波器中都有參考信號(hào)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(hào)的相位
在檢測(cè)時(shí)不可能預(yù)先知道被測(cè)信號(hào)的相位，因此相關(guān)解調(diào)器中必須設(shè)置參考信號(hào)的移相電路，以調(diào)節(jié)相位達(dá)到與被測(cè)信號(hào)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(hào)的信噪比將大大改善。但是當(dāng)噪聲過(guò)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(guò)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(guò)載能力； 此外， △fn過(guò)小會(huì)使測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此應(yīng)該認(rèn)識(shí)到：相關(guān)解調(diào)器的信噪比改善程度是有限的。

結(jié) 語(yǔ)

從上面的討論可以看出，激光煙霧衰減測(cè)試系統(tǒng)中的調(diào)制盤(pán)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(hào)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(cè)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(mén)測(cè)試煙霧的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)提供了更精確的測(cè)量手段。