鎖定放大器在測試系統中抗噪聲的應用研究

激光煙霧衰減測試系統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，測試系統測試該激光通過(guò)煙霧到達接收系統時(shí)的強度變化情況。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?chē)h(huán)境的輻射等)，其強度有時(shí)甚至比信號還要強，因而在測量過(guò)程中，強烈的背景輻射都將不可避免地進(jìn)入測試系統，構成所謂的背景噪聲；此外，大氣湍流擾動(dòng)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據是我們所面臨的主要問(wèn)題。鎖定放大器所具有的強大抗噪聲能力使得這個(gè)問(wèn)題能夠得到很好的解決。本文將對鎖定放大器的功能特性及在激光煙霧測試系統中的應用方法作以探討和研究。

煙霧衰減測試系統中所存在的噪聲問(wèn)題

在激光煙霧衰減測試系統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)行野外測試(外場(chǎng)測試)情況下，自然輻射源的輻射都會(huì )干擾紅外儀器的工作，對系統的測試結果將會(huì )產(chǎn)生較大的影響?？梢詫⑦@種干擾稱(chēng)為背景輻射干擾。紅外系統在野外進(jìn)行測量時(shí)，自然輻射源所造成的強烈背景輻射都將不可避免進(jìn)入系統。這些輻射經(jīng)光電轉換后即成為直流背景信號，其強度有時(shí)甚至比有用信號大幾個(gè)數量級。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(huì )導致很大的的誤差碼。

針對這種情況，在傳統的紅外系統中經(jīng)常采用變換的方法即將紅外輻射調制成交流信號后再將其發(fā)射出去。我們可以用調制盤(pán)(斬波器)完成這個(gè)任務(wù)。調制盤(pán)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(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，而對接近于調制盤(pán)調制頻率的背景輻射干擾無(wú)能為力，尤其是當背景輻射干擾的強度遠遠大于被測量的紅外輻射強度時(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成

同步相干檢測技術(shù)在近20年來(lái)得到了快速發(fā)展，是從強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用。信息論和隨機過(guò)程理論是其主要的理論基礎，主要的內容有相關(guān)函數和相關(guān)接收(又稱(chēng)相關(guān)檢測)等。這種技術(shù)利用信號周期性和噪聲隨機性的特點(diǎn)，即信號和噪聲兩個(gè)互不相關(guān)，通過(guò)相關(guān)運算(自相關(guān)或互相關(guān))，達到去除噪聲的目的。

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，其重復周期與輸入信號中s1(t)的重復周期相同并且是“干凈的”， n1(t)是噪聲信號。

設輸入信號：
f1(t)= s1(t)+n1(t)
本地信號是：
f2(t)=s2(t)
則其相關(guān)函數

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

因信號與隨機噪聲發(fā)生相互獨立， 其互相關(guān)函數將是一個(gè)常數，等于兩個(gè)隨機函數平均值的積。若其中一個(gè)平均值是零，則相關(guān)函數為零。因噪聲平均值為零， 所以上式中Rns2(τ)為零。因此相關(guān)函數的輸出只是信號與本地信號的相關(guān)結果，噪聲被去掉。在實(shí)際應用中，只有在計算相關(guān)函數求平均值的時(shí)間比較長(cháng)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RC 值的4—5倍。

由以上簡(jiǎn)單的公式推導我們可以看出互相關(guān)運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)原理設計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)運算的電子設備。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值可達到108量級，這是常規濾波器所無(wú)法達到的。

鎖定放大器的組成結構
下面對鎖定放大器的組成結構作以簡(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：信號通道、參考通道和相關(guān)器(在積分器后面還應有直流放大器，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，它最終完成被測信號與參考信號互相關(guān)函數運算。它必須具有動(dòng)態(tài)范圍大、漂移小、時(shí)間常數可調、增益穩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換為交流方波再進(jìn)行轉換檢測。

圖2 　鎖定放大器的組成結構原理圖

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(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，擴大儀器的動(dòng)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(chēng)方波，以驅動(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放大，使其滿(mǎn)足后續數據采集系統對信號的要求。直流放大器的主要問(wèn)題是零漂的影響，考慮到前級相關(guān)器的輸出可能很小，因此應選擇低漂移的運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的構成及鎖定放大器的應用

激光煙霧衰減測試系統的構成
紅外系統本質(zhì)上是一個(gè)光學(xué)—電子系統，其基本功能是將接收到的紅外輻射轉換成為電信號并利用它去達到某種實(shí)際應用的目的。激光煙霧衰減測試系統是一個(gè)典型的紅外系統，因而具有一般紅外系統所具有的特征：既包括光學(xué)系統、調制盤(pán)、紅外探測器、電子線(xiàn)路和顯示紀錄裝置等。連續的紅外輻射調制盤(pán)調制成交變信號輸出，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)系統接收并聚焦到紅外探測器響應平面上，紅外探測器將紅外輻射轉變?yōu)殡娦抛罱K分析處理，這就是激光煙霧衰減測試系統的工作原理。

如上所述，本系統的結構簡(jiǎn)圖如圖3(這里只畫(huà)出接收部分)所示。

圖3 激光煙霧衰減測試系統接收部分簡(jiǎn)圖

從圖3中可以看到，鎖定放大器可以應用在探測器后面的信號調理電路中，對探測器傳來(lái)的反映激光強度大小的電信號進(jìn)行去噪聲處理，之后將信號送給下一級的數據采集系統進(jìn)行解釋分析。其工作過(guò)程如下：紅外激光信號及紅外背景噪聲一同通過(guò)光闌，經(jīng)光學(xué)調制盤(pán)調制后變成交流方波信號，再經(jīng)過(guò)光學(xué)系統射入紅外探測器的光敏面上，探測器輸出與激光強度有一定關(guān)系的正弦波交流信號送入鎖定放大器進(jìn)行測量，測量后的結果經(jīng)信號調理電路進(jìn)行處理后將被送往下一級數據采集系統進(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)放大器在本系統中起著(zhù)承上啟下的作用，地位非常重要。

鎖定放大器在實(shí)際應用過(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)際應用過(guò)程中有幾個(gè)問(wèn)題需要注意。相關(guān)解調器的測量時(shí)間及對測量結果的影響圖1 所示的相關(guān)解調器的積分運算，一般是采用RC低通濾波器來(lái)實(shí)現，這種低通濾波器相當于時(shí)間常數為3RC—5RC的積分器。因此，相關(guān)解調器的積分時(shí)間不能無(wú)限長(cháng)(任何信號都不可能做到測量時(shí)間無(wú)限長(cháng))。顯然，有限長(cháng)時(shí)間內的互相關(guān)運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(cháng)，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用場(chǎng)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)現了同頻的要求，進(jìn)而就可以完成在觀(guān)測噪聲中正弦信號幅度的檢測。一般來(lái)講，商品化的斬波器中都有參考信號的輸出可供使用。另外，其幅度通常應大于100mV以上。

參考信號的相位
在檢測時(shí)不可能預先知道被測信號的相位，因此相關(guān)解調器中必須設置參考信號的移相電路，以調節相位達到與被測信號相同或反相。相位的變化應能夠在0—360度范圍內進(jìn)行調整。

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 遠遠小于Bin ，因此信號的信噪比將大大改善。但是當噪聲過(guò)大時(shí)，器件的非線(xiàn)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)解調器輸出信噪比迅速惡化，因此，在應用設計時(shí)應盡量使相關(guān)解調器具有大的過(guò)載能力； 此外， △fn過(guò)小會(huì )使測量時(shí)間過(guò)長(cháng)，因此應該認識到：相關(guān)解調器的信噪比改善程度是有限的。

結 語(yǔ)

從上面的討論可以看出，激光煙霧衰減測試系統中的調制盤(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可以直接供鎖定放大器使用，從而充分滿(mǎn)足了鎖定放大器在本系統應用中所需要的2個(gè)主要條件。應用鎖定放大器后，系統的測量精度大大提高，抗背景輻射干擾的能力也大大增強，為煙霧研究部門(mén)測試煙霧的各項技術(shù)指標提供了更精確的測量手段。