本文內容將描述鎖相放大器如何用於恢復弱光訊號以實現位移測量。
介紹隨著對準確度和精度越來越高的要求，微弱訊號檢測技術已經在很多領域變得至關重要，特別是在雷達、聲納、通訊、工業測量、機械系統的故障分析等領域。一些具體的例子包括材料分析中螢光強度的測量，天文學中衛星訊號的接收，以及**學中**波形和波速的測量。然而，檢測微弱訊號是相當具有挑戰性的，因為它通常淹沒在來自系統本身或來自外部環境的雜訊中。在本文中，我們將**如何運用鎖相放大器從大量背景雜訊中恢復弱小訊號。
鎖相放大器通常用於提取非常小的振盪訊號。鎖相放大器隔離出訊號並濾除系統中的大部分不需要的雜訊。
以下通過簡單的位移測量演示鎖相放大器如何有效應用於弱訊號檢測，實驗設定如圖1所示。雷射訊號經過調幅後(以10mhz作為調製頻率)被物體反射並被光電探測器探測到。物體位移的變化可以通過測量調幅訊號的相位來確定。
moku：lab同時用於生成調製訊號(輸出2)和測量光電探測器上檢測到的訊號(輸入1)。
圖1示例實驗的光學設定。
我們將使用鎖相放大器來處理訊號，並通過測量從物體反射的調幅訊號的相位，進而可以確定其位移。我們通過兩個實驗來展示鎖相放大器的效能，乙個檢測強訊號，另乙個檢測弱訊號。
強訊號測量
首先要了解我們期望從這樣的系統測量什麼訊號，我們首先使用高反射率物體建立乙個系統。在這種情況下，我們使用鏡子。
為了模擬運動物體，將鏡子安裝在機械平台上，其與雷射器的距離以2hz的頻率正弦移動並且位移為1cm。
光從鏡子反射並在光電探測器上檢測到。
為了獲取強訊號產生的強度(以及跟弱訊號進行對比)，我們可以首先在moku：示波器上觀察10 mhz調製訊號。
圖2在示波器上測量的強10 mhz訊號。
圖2顯示了從光電探測器接收到的強烈、易觀測的訊號。由於訊號強且可觀察，因此可以直接簡單地測量該訊號的相位，並推斷出鏡子的位移變化。以上過程我們也可以通過使用鎖相放大器來直接提取相位實現。
圖3為測量強訊號moku：lockin放大器設定。
圖3顯示了鎖定放大器的設定。在這種情況下，調製訊號取自內部本機振盪器。然後，本機振盪器將用於解調輸入訊號以獲得輸出1上的相位訊號。
圖4鎖相放大器測量的相位訊號
圖4顯示了使用鎖相放大器直接測量到的相位變化。正如預期的那樣，相位呈現大約2 hz頻率的正弦變化(用於驅動鏡子的訊號)，由此可以看出系統對鏡子位移的敏感性。
弱訊號測量
在大多數情況下，物體反射如此大量光線非常罕見。更常見的情況是，光將會在物體上朝許多方向上發生非常擴散的漫反射，導致在光電探測器處接收的光很弱。在這些弱訊號系統中，訊號的檢測不那麼明顯，需要使用更先進的訊號處理技術。
為了證明這一點，我們再次設定實驗來檢測物體位移的變化。然而，這一次，我們使用擴散紙。與鏡子不同，從紙張反射的光在朝多方向散射，因而在光電探測器上檢測到的微弱光被系統的電子雜訊覆蓋。該紙再次以2hz的正弦驅動，並作為模擬訊號。
圖5示波器測量的弱10 mhz訊號
我們再次使用moku：示波器來檢視光電探測器檢測到的10 mhz調製訊號。圖5顯示了從光電探測器接收的漫反射訊號。與鏡子的強反射不同，示波器上檢測到的訊號與雜訊無法區分。
但是，訊號仍然存在，可以使用鎖相放大器進行恢復。首先，我們調整輸入端增益。在這種情況下，我們在前端選擇+48 db的數字增益。該增益利用數字訊號處理的方法增加了訊號的強度。在此階段，訊號和雜訊都增加，導致無snr(訊雜比)變化。
圖6 moku：用於弱訊號的lockin放大器設定。
現在該訊號已經被調整到了鎖相放大器的動態範圍內，從而我們可以進一步消除雜訊。這個可以
通過調整鎖相放大器中的低通濾波器引數來完成。在這種情況下，將濾波器調整為7 hz - 剛好高於2 hz注入訊號。這將從測量中消除盡可能多的雜訊。圖6顯示了鎖定放大器引數的設定。結果如圖7所示。
圖7鎖相放大器測量的相位訊號。
我們看到，該訊號可以在測量中被清楚地觀察到。對於測量中仍然存在的一些雜訊，並且可以通過降低低通濾波器截止頻率來進一步優化，從而消除更多雜訊。總之，該實驗表明通過調整鎖相放大器的一些關鍵引數，我們能夠檢測出擴散物體的位移。
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