锁定放大器在测试系统中抗噪声的应用研究

摘　要：对锁定放大器(LIA)的功能特性及在激光烟雾测试系统中的应用方法进行了探讨和研究，给出了应用系统框图并对锁定放大器在该系统中应用的注意事项给予了说明。

关键词：锁定放大器；激光；烟雾测试；光电检测

引 言

激光烟雾衰减测试系统的主要功能是测量红外激光(1.06um和10.6um)在特制烟雾中的传输性能。在工作时，发射系统发射红外激光，使其在大气中传输一段距离，在其光路上施放特制的烟雾，测试系统测试该激光通过烟雾到达接收系统时的强度变化情况。由于自然界中存在各种红外辐射源(物体对光的反射、物体自身辐射、周围环境的辐射等)，其强度有时甚至比信号还要强，因而在测量过程中，强烈的背景辐射都将不可避免地进入测试系统，构成所谓的背景噪声；此外，大气湍流扰动对红外激光辐射的干扰也不能忽视。如何有效地去除噪声的影响同时得到我们所期望的高精度的数据是我们所面临的主要问题。锁定放大器所具有的强大抗噪声能力使得这个问题能够得到很好的解决。本文将对锁定放大器的功能特性及在激光烟雾测试系统中的应用方法作以探讨和研究。

烟雾衰减测试系统中所存在的噪声问题

在激光烟雾衰减测试系统中各种干扰因素比较多。自然界中，太阳、月亮、星星、地面等均为自然红外辐射源，在进行野外测试(外场测试)情况下，自然辐射源的辐射都会干扰红外仪器的工作，对系统的测试结果将会产生较大的影响。可以将这种干扰称为背景辐射干扰。红外系统在野外进行测量时，自然辐射源所造成的强烈背景辐射都将不可避免进入系统。这些辐射经光电转换后即成为直流背景信号，其强度有时甚至比有用信号大几个数量级。如果直接采用直流放大的方法对红外辐射进行测量将会导致很大的的误差码。

针对这种情况，在传统的红外系统中经常采用变换的方法即将红外辐射调制成交流信号后再将其发射出去。我们可以用调制盘(斩波器)完成这个任务。调制盘将直流辐射信号变换成交流信号，该信号可以由交流放大器或相关的检测仪器进行放大处理，以此来削弱直流漂移和直流背景。但是，这种方法只能粗略地去掉背景噪声中的直流成分，而对接近于调制盘调制频率的背景辐射干扰无能为力，尤其是当背景辐射干扰的强度远远大于被测量的红外辐射强度时更是如此，因此我们必须找到一种方法来去除这种干扰。

锁定放大器的工作原理和构成

同步相干检测技术在近20年来得到了快速发展，是从强噪声中提取弱信号的重要手段，在各种学科领域尤其是电子学领域得到日益广泛的应用。信息论和随机过程理论是其主要的理论基础，主要的内容有相关函数和相关接收(又称相关检测)等。这种技术利用信号周期性和噪声随机性的特点，即信号和噪声两个互不相关，通过相关运算(自相关或互相关)，达到去除噪声的目的。

相关检测原理
相关检测原理如图所示：

图1 　互相关检测原理图 

图中f₁(t)为接收端输入信号， f ₂(t)为本地信号，其重复周期与输入信号中s₁ (t)的重复周期相同并且是"干净的"， n₁(t)是噪声信号。

设输入信号：
f₁(t)= s₁(t)+n₁(t)
本地信号是：
f₂(t)=s₂(t)
则其相关函数

上式中τ是所研究两点的时间间隔， 即两信号间的时延。

因信号与随机噪声发生相互独立， 其互相关函数将是一个常数，等于两个随机函数平均值的积。若其中一个平均值是零，则相关函数为零。因噪声平均值为零， 所以上式中R_ns2(τ)为零。因此相关函数的输出只是信号与本地信号的相关结果，噪声被去掉。在实际应用中，只有在计算相关函数求平均值的时间比较长时， R_ns2
(τ)才近于零， 从而得到较高的输出信号噪声比，该时间可由试验确定。一般其值为积分器所采用的低通滤波器的时间常数RC 值的4—5倍。

由以上简单的公式推导我们可以看出互相关运算的确可以大幅度地去除噪声的影响。锁定放大器就是利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪，是对被测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。它具有十分窄小的信号和噪声带宽，依照通常带通滤波器Q 值的含义，其等效Q值可达到108量级，这是常规滤波器所无法达到的。

锁定放大器的组成结构
下面对锁定放大器的组成结构作以简要的说明。典型的锁定放大器如图2所示。图2中可以看出，一般锁定放大器可以分为3个部分，即：信号通道、参考通道和相关器(在积分器后面还应有直流放大器，图中未画出)，下面分别介绍各自功能及组成：

相关器
相关器是锁定放大器的关键部件，包括乘法器和积分器2部分，它最终完成被测信号与参考信号互相关函数运算。它必须具有动态范围大、漂移小、时间常数可调、增益稳定和频率范围宽等特点。它要求输入信号为正弦波或方波，如果被测信号是直流信号，则可用斩波器先将它转换为交流方波再进行转换检测。