微弱信號(hào)檢測(cè)原理在光尾流探測(cè)中的應(yīng)用

　　尾流是艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一段含大量氣泡的湍流區(qū)域，存在著尺寸為幾十微米到幾厘米之間的氣泡。由于這些氣泡的存在，使海水介質(zhì)的特性發(fā)生了明顯變化，為尾流自導(dǎo)的探測(cè)和導(dǎo)引提供了基礎(chǔ)。在探測(cè)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)激光束透過(guò)氣泡幕的前向散射信號(hào)進(jìn)行采集及分析，得出以下結(jié)論：隨著尾流中存在氣泡的大小、密度的變化，光透過(guò)尾流后的散射信號(hào)的強(qiáng)度及光譜都將產(chǎn)生相應(yīng)變化，然而激光探測(cè)的靈敏度很高，海洋環(huán)境復(fù)雜，存在如紅外輻射、熱噪聲等的影響，使有用信息深埋在各種干擾噪聲中。因此，如何設(shè)計(jì)低噪聲信息處理系統(tǒng)從而有效提取微弱有用信息已成為尾流氣泡探測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了光尾流檢測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究前置放大問(wèn)題以及微弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，效果良好。

　　1 光尾流檢測(cè)處理電路的設(shè)計(jì)

　　光尾流檢測(cè)主要測(cè)試激光通過(guò)氣泡散射到達(dá)接收系統(tǒng)的強(qiáng)度變化情況。這個(gè)過(guò)程需要經(jīng)過(guò)信號(hào)采集、光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波等過(guò)程，系統(tǒng)通過(guò)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行信號(hào)的放大及降噪處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，并采用數(shù)字鎖定放大技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)能力。

　　光尾流檢測(cè)處理電路原理框圖如圖1所示。

　　在微弱電流檢測(cè)中，前置放大電路是信號(hào)處理的第一級(jí)，該電路完成I／V變換，同時(shí)進(jìn)行小信號(hào)放大，在這一級(jí)混入噪聲，將會(huì)降低系統(tǒng)的檢測(cè)性能，因此前置放大尤為重要。本系統(tǒng)的輸入信號(hào)為固定頻率的交流信號(hào)，帶寬較窄，理想情況下，放大器在該頻段內(nèi)應(yīng)有良好的線性，即放大器對(duì)各種幅度的信號(hào)放大倍數(shù)應(yīng)恒定，否則會(huì)造成譜線畸變。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，放大器的增益會(huì)受到電源電壓不穩(wěn)定、元件老化以及溫度變化的影響，導(dǎo)致其線性度下降。因此該系統(tǒng)采用負(fù)反饋措施，將各種不穩(wěn)定因素減小到最低程度，提高前置放大器的線性度。選擇FET型低噪聲運(yùn)放芯片OPA124作為前置放大器，他具有低偏置電流、低失調(diào)電壓等特性，能很好地解決微弱信號(hào)放大問(wèn)題。圖2為I／V變換電路原理圖。

　　2 光尾流信號(hào)檢測(cè)原理

　　在工程應(yīng)用中，微弱信號(hào)檢測(cè)方法是將信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大，再利用鎖定放大器將其提取出來(lái)。鎖定放大器的基本結(jié)構(gòu)包括信號(hào)通道、參考通道、相敏檢測(cè)器(PSD)和濾波器等。根據(jù)不同的用途可分類(lèi)為：正交矢量型鎖定放大器、外差式鎖定放大器等。光尾流檢測(cè)利用正交矢量鎖定放大器進(jìn)行檢測(cè)，利用兩個(gè)正交的分量計(jì)算出幅度和相位，在本系統(tǒng)考慮幅度的變化，暫不考慮相位的變化。其原理圖如圖3所示。

　　傳統(tǒng)的鎖定放大方法是利用模擬器件實(shí)現(xiàn)，這種方法速度快，然而價(jià)格昂貴、體積較大、應(yīng)用不靈活，因此不適合于光尾流檢測(cè)系統(tǒng)戶(hù)外試驗(yàn)的要求。數(shù)字鎖定放大器通過(guò)軟件和硬件的結(jié)合進(jìn)行處理，可用來(lái)測(cè)試各種不同的微弱信號(hào)，操作性強(qiáng)、靈活、方便。

　　正交矢量鎖定放大器原理如下所示：

　　假設(shè)被測(cè)信號(hào)為X(t)由有用信號(hào)S(t)和噪聲N(t)組成，Y(t)與Y′(t)為參考信號(hào)。有用信號(hào)及參考信號(hào)為正弦函數(shù)，頻率為f，對(duì)上述信號(hào)作采樣，采樣頻率為fs，得到數(shù)字信號(hào)：X(m)，S(m)，N(m)，Y(m)，Y′(m)，則有：

　　其中n為延遲時(shí)間，當(dāng)X(m)=Y(m)時(shí)，Rxx(n)為X(m)的自相關(guān)函數(shù)。取信號(hào)延時(shí)為0，則被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)Y(m)，Y′(m)的互相關(guān)函數(shù)以及參考信號(hào)Y(m)的自相關(guān)函數(shù)分別為：

　　3 仿真分析

　　仿真的測(cè)量信號(hào)形式如式(1)，參考信號(hào)形式如式(2)，式(3)，假設(shè)進(jìn)入尾流的干擾為高斯白噪聲，均值為0，方差為δ2，信號(hào)頻率1 kHz，采樣頻率10 kHz，積分時(shí)間100 ms，即快拍數(shù)M=105，仿真結(jié)果如圖4～圖8所示。

　　當(dāng)無(wú)尾流時(shí)，假設(shè)輸入信號(hào)幅度為5 V，圖4為截取50 ms時(shí)的信號(hào)波形。輸出信號(hào)幅度估計(jì)如圖5所示。

　　估算出輸出信號(hào)的幅度估計(jì)均值為5.001 V，其幅度估計(jì)誤差如圖6所示，其最大相對(duì)誤差△=0.18％，因此在無(wú)尾流時(shí)，利用數(shù)字鎖定放大器進(jìn)行輸出信號(hào)的檢測(cè)估計(jì)是有效的。

　　假設(shè)當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入尾流，根據(jù)尾流的強(qiáng)度不同，輸出信號(hào)將產(chǎn)生不同程度的衰減，同時(shí)也將不可避免地混入噪聲，圖6仿真系統(tǒng)通過(guò)不同強(qiáng)度尾流，所得到的輸出信號(hào)幅度估計(jì)值，圖7為三種情況下，信號(hào)幅度估計(jì)誤差。

　　圖中?表示仿真尾流強(qiáng)度較弱情況，信號(hào)衰減量為0.5 V；*表示仿真尾流強(qiáng)度中等情況，信號(hào)衰減量為1.5 V；○表示仿真尾流強(qiáng)度較強(qiáng)情況，信號(hào)衰減量為2.5 V。

　　由仿真結(jié)果可以看出，尾流強(qiáng)度較弱時(shí)，信號(hào)衰減量較小，其輸出信號(hào)幅度估計(jì)均值為4.502 6 V，最大相對(duì)誤差△=1.17％；尾流強(qiáng)度中等時(shí)，輸出信號(hào)幅度估計(jì)均值為3.503 3 V，最大相對(duì)誤差△=1.13％；尾流強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，輸出信號(hào)幅度估計(jì)均值為2.500 1 V，最大相對(duì)誤差△=1.11％，因此，利用數(shù)字鎖定放大器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)估計(jì)，能可靠檢測(cè)出有用信號(hào)的幅度值，從而為光尾流檢測(cè)提供新的途徑。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　本文介紹了一種光尾流檢測(cè)電路，利用高性能運(yùn)放設(shè)計(jì)的前置放大電路，具有精度高、穩(wěn)定性好、體積小和量程大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用數(shù)字鎖定放大原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明該方法可有效抑制噪聲，提高信噪比，在光尾流檢測(cè)中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。