2022年锁定放大器在微弱光信号检测中的应用 .pdf

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1、总第 !卷 第 !#$ 期电测与仪表%& (! )&(!#$*+年 第 ,期- ./012/34.3561.7.809:850167.80302&8)&;(*+锁定放大器在微弱光信号检测中的应用!邹 燕,，冯丽爽，张春熹，刘军,（,(军械工程学院光纤技术研究所，石家庄*+*；(北京航空航天大学光电技术研究所，北京,*=相关检测， 并针对开环光纤陀螺信号的特点， 对其信号检测进行了分析，提出了锁定放大器在光纤陀螺输出的微弱光信号检测中的应用的方法，同时为了使检测获得最佳效果，对其系统参数的选取进行了讨论。通过使用美国?038&1AB.5.31/C ?D50.75公司的?B=!E?F G&/H28

2、I7J22.1的信号检测系统进行实验，结果表明： 锁定放大器能够满足光纤陀螺信号检测的要求，可使被测光纤陀螺的零漂达到*(=KLC。关键词：锁定放大器；光纤陀螺；检测中图分类号：M)+,*,+*5C638URNVI)TWC68X2RG:P Y68,Z,( :850 O S2.1 OJ02/ M./C8，4./C382/3 -8U28.128U W& .U.，?C223C638U*+*- ./01&82/5M./C8，_.228U P82;.1520DOI.1&83602/5I8AI501&83602/5，_.228U ,*=2837J 22.125 2801&A6/.A( I8A32728U3

3、0 0C. 52U83 /C313/0.12502/5& &J.8 &J S2.1 OJ02/ TD1&5/&J.R0C. 52U83 A.0./02&8 25 383D.A( MC.8 0C. 3JJ 2d/302&87.0C&A &G:I28 0C. A.0./02&8 & b.3H 52U83 bC2/C 25 0C. &60J60& SOT 25J60 &1b31AR 38A 0& 3/c621. 0C. &J0273 ./0 & 0C. 52U83 A.0./02&8R 0C. /C&2/. &5D50.72/ J1.1.8/.5 25 A25/655.A(MC. .XJ.127.8

4、0&0C. 52U83 A.0./02&8 D ?B=!E?FG:IJ1&A6/.A DI7.12/38?038&1A B.5.31/C?D50.75 28A2/30.5 0C30G:I/387.00C. 1.c621.7.805 & 0C. 52U83A.0./02&8 & SOTR 38A 0C. 0.50.A SOT 1.3/C.5 0C.235 A120& *(=KLC()*+,-&.$aG:I SOT A.0./02&8/0*1123( %3-4-5 6-(7834912353*& 34 %0* :*%*(%3-4 -5 ;* 7 引言锁 定 放 大 器 （G&/H28 37J22.

5、1RG:I） 自 问 世 以来，在科学研究的各个领域得到广泛的应用，推动了物理、化学、生物医学、 地震、海洋等行业的发展。锁定放大器具有极强的抗噪声性能，它与一般的带通放大器不同， 输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流放大并变成直流信号，因此在微弱信号检测方面显示出了优秀的性能。光纤陀螺是干涉型光纤传感器中的一种主要形式，具有着强噪声和弱信号的特点，抑制噪声并进行有效信号检测一直是光纤陀螺研究的主要内容，锁定放大器就是其信号检测所应用的仪器。?锁定放大器检测基本原理A， BC锁定放大器对微弱信号的检测是基于相干检测原理，应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关和互相关运算，达到去除噪声

6、的一种设备。本文采用的是互相关器和互相关函数进行的互相关检测。如图,所示互相关检测原理图。设输入为含有噪声干扰的信号为! Z e#,528 !*f$Z ，#,为正弦信号的幅度，!*为正弦信号的角频率，$Z 为噪声。参考信号为%Z e#528Z !*f ，#为参考g 国家 =h名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 总第 !卷第 !#$ 期电测与仪表%& (! )&(!#$*+年 第 ,期- ./012/34.3561.7

7、.809:850167.80302&8)&;(*+图为!*= ?27!#,$%$!&= ? = AB ( 27!#,$%$!= !,528 #*C) = ?!528= #*=AC ! B ( 27!#,$%$!= !,528 #*?!528= #*= AC ! B * 27!#,$%$!D ) = ?= !528= #*= AC ! EB(,!,!/&5! C+),?,!,!/&5!（,）由于噪声信号) = 与参考信号不相关，则+),?*。通过=,式即可消除噪声干扰，提取输入信号的幅值以及其与参考信号之间的相位差。为了准确测得输入信号的幅值， 应当保证与参考信号之间的相位差恒定不变，在实际中如

8、FGH!通常采用双通道的相关检测，其原理如图所示。如图将参考信号相位移相$*I，使用两个乘法器输出= !*= 的输出是没有经过移相的乘法器后的输出，!,= 的输出是经过移相后的乘法器输出）。 则输出信号!*= 为!*= ?27!#,$%$!&=?= AA$*IB( 27!#,$%$!= !,528 #*C) = ?!528= #*= AA$*IC! B ( 27!#,$%$!= !,528 #*?!528= #*= AA$*IC! B * 27!#,$%$!D )= ?= !528= #*= AA$*IC! EB?,!,!528 !（）对于双通道锁定放大器，如FGH!其信号输出+为+(= !*

9、= C= !*= (,!,!（）则由=式，根据+值可以直接求得幅值!,。!光纤陀螺检测基本原理#$光纤陀螺是基于F3J83/效应的环形干涉仪，原理如图（+）若设相位调制器的调制信号为)*/&5= #2， 则1(1*=,C/&5= )-C)*/&5= #2（K）将 （K） 式按照贝赛尔函数展开后得1(1*=,C/&5= )-C)*/&5= #2?1*=,C3*=)*/&5 )-A1*3,= )*528 )-/&5= #2CL) ? ,#=A,)D 1*3)= !*/&5 )-/&5=) #2EA1*3)* ,= !*528 )-/&5=)C,#2E#%AA名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

10、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 总第 !卷 第 !#$ 期电测与仪表%& (! )&(!#$*+年 第 ,期- ./012/34.3561.7.809:850167.80302&8)&;(*+图+用锁定放大器检测正弦波调制时（,*5）表,光纤陀螺零偏、零漂测试结果图!光纤陀螺检测硬件设计（下转第!页）*? !*/&5 # ,? !*528?#$% 528#A? !*/&5?#$% /&5 #& B? !*528?B#$% 528#!? !*/&5?!#

11、$% /&5 #（#）对其进行锁定放大检测可得一次谐波分量即开环光纤陀螺的输出信号为 C!*,? *528#（D）#锁定放大器的参数选择$%&B(,相移量的选取对双通道锁定放大器的一般应用而言，输入信号与参考信号之间的相移的选取是使两个通道的输出分别为(*? % *，(*? % ,， 这一状态称为锁定状态。在理想情况下E这种选取是正确的，但在光纤陀螺信号检测中，考虑到噪声和干扰，则两个通道的输出为(*? % ) 528 #528 ! &*,(*? % ) 528 #/&5! &*（$）在式?$中，*,、*为两个通道的噪声和干扰。如果地球转速分量未被消除，则式?$中*,、*还包括地球转速分量值。

12、显然，使+保持为*， 则$不是处于最佳锁定点。以,通道输出作为光纤陀螺的系统信号，将使光纤陀螺的性能受到影响。如果当光纤陀螺以不同转速和方向转动时，即在528 #变化时， 若使(*? % 输出保持不变，此时/&5! *即,通道输出最大，此时为最佳锁定点得(*? % ) 528 #528 ! &*,(*? % *（,*）B(积分时间的选取锁定放大器中的低通滤波器通常是由积分器来实现的， 则其输出的等效噪声带宽由积分器的时间常数-./*0*决定，-.越长，系统的等效带宽越窄，抑制噪声的能力也就越强。但积分时间常数不是任意决定的，一般积分时间大于,*5后，系统的稳定时间过长，积分时间小于,*75，

13、噪声大， 影响传感器的信号读出。正确的选择方法应是在满足系统响 应 的 条 件 下 尽 量 使 积 分 时 间 选 的大一些， 以降低噪声，一般取B*75FB5较合适。!硬件设计与实现本 文 所 用 的 锁 定 放 大 器 是 针 对光纤陀螺输出的微弱光信号，其硬件框 架 如 图!所 示 ， 主 要 由 三 部 分 组成：开环光纤陀螺、美国G038H&1I J.K5.31/LGM50.75公 司 的GJD!NGOP&/QC28CR7S 2H2.1?锁 定 放 大 器和 测试计算机。锁定放大器输出调制信号给光纤陀螺， 光纤陀螺经过调制后的输出信号送到锁定放大器。锁定放大器由两路信号（陀螺的输出信

14、号和锁定放大器的调制信号）取出光纤陀螺的有效数据然后送与计算机。计算机与锁定放大器之间的通讯方式为TO:U ?:-!DD仪器控制标准，采用TO:U转OV:的数据采集卡实现数据的采集。在该硬件实现中特别要注意的是由光纤陀螺输出的微弱光信号到GJD!信号输入端这一段的信号线的选取。虽然从陀螺输出的信号已经是经过放大的电压信号， 但相对于外界干扰来说仍十分微弱，所以信号线必须用屏蔽线，而且越短越好。测试结果根据国家军用标准TWU!XRC*!，通过使用美 国G038H&1I J.5.31/LGM50.75公 司 的GJD!NGO锁定放大器对一只光纤陀螺输出的微弱光信号进行检测，锁定放大器的积分时间常数

15、设定为,5和,*5，其测试结果及曲线如表,、 图+所示。(CC名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 总第 !卷 第 !#$ 期电测与仪表%& (! )&(!#$*+年 第 ,期- ./012/34.3561.7.809:850167.80302&8)&;(*+施以防止偷听和信息重现时，使用高级安全验证。在这种情况下， 客户机和服务器采用如下四步进行身份验证：第,步 客户机向服务器传送“呼叫信息”0&=（如：随机号码）

16、；第步 服务器向客户机传送“呼叫信息”=0&步 客户机对=0&进行加密处理，处理结果?=0&A返送给服务器，服务器检查?=0&A是否正确， 如果正确， 服务器认为客户机的身份验证通过，否则服务器终止本次应用连接。第!步 客 户 机 的 身 份 验 证 通 过 后 ， 服 务 器 对=0&进行加密处理，处理结果?0&=A返送给客户机。客户机检查?0&=A是否正确， 如果正确， 客户机认为服务器的身份验证通过，完成应用连接的建立，否则客户机终止本次应用连接。有关各接口类的属性、方法以及对属性和方法的选择性访问的定义和详细说明是本标准的主要内容，详情请参阅:-B*+BCB。!结束语一个国家标准的应用

17、水平是反映其科学技术发展水平高低的重要指标之一，为满足客户日益不断的需求，采用标准化的手段，可以大量节约计量仪表和系统重复开发工作量，人力资源和资金的浪费。当然，在标准的使用中，应注意国际垄断企业对先进标准和技术的封锁和限制，尽量采用完全开放、公开的标准和开发我国自主产权的标准，这对我国赶超世界先进水平具有重要意义。参考文献D,E :-B*+BCB,F*,， 计量仪表 C用于读表、 费率和负荷控制的数据交换C第 B, 部分：GH:= 对象标识系统D=E(DE:-E:-F*,， 计量仪表 C用于读表、 费率和负荷控制的数据交换C第 + 部分：G=-4应用层 D=E(D!E :-B*+BC!BF*

18、,， 计量仪表 C用于读表、 费率和负荷控制的数据交换C第 !B 部分：使用 IJK协议的数据链路层D=E(D+E:-B*+BC!F*,， 计量仪表 C用于读表、 费率和负荷控制的数据交换C第 !部分：用于面向连接的异步数据交换的物理层服务和过程D=E(DBE:-!C!C!,F,$B， 使用电力线载波的配电自动化系统!第 ! 部分：数据通信协议!第 !,节： 应用协议 !配电线报文技术规范D=E(D#E:-LMNB*+,F,$ ， 计量仪表 C术语表 D=E(DOE N.3/02;.8.1PQ 7.0.128PCR( S7.0TQ :-M*!(G/0&U.1(D$E:-简介 D=E( 黄国兵

19、V 等(作者简介：杨晓西，西北电力试验研究院，高级工程师。收稿日期： *+C*$C*（马甲军编发）（上接第#页）$结语通过对基于相关检测原理的锁定放大器的原理研究，不难发现锁定放大器具有卓越的微弱信号检测能力，通过对其主要参数的选取，可以较好实现对光纤陀螺微弱光信号的检测，并对其检测电路的设计与调试提供了方便。但由于锁定放大器输出的是开环信号，动态范围较小，为获得较大动态范围应在输出信号上进行适当的反馈控制。参考文献D,EI.1;WE康帅等 ( 用 KZH%:-开发系统实现微弱光信号的锁定检测DYE(光电子技术与信息，*!V,#A(D!E曾庆勇 ( 微弱信号检测D4E( 浙江大学出版社， ,$

20、!(作者简介：邹 燕,$O,CA ， 女，汉族，军械工程学院硕士研究生，研究方向为光纤传感技术。收稿日期：*+C*OC,!（刘鹏编发）确度，可用于对不同类型的直流电阻测量仪 （如变压器直流电阻测试仪和开关回路电阻测试仪） 进行校验。它相比于传统的实物标准电阻箱，具有体积小，重量轻， 能方便、 自动地完成校验工作，有着广泛的应用前景。参考文献D,E 苏 涛(实用技术 D4E(西安电子科技大学出版社，*(DE徐爱钧 ( 智能化测量控制仪表原理与设计D4E( 北京航空航天大学出版社，*!(作者简介：王刘芳，清华大学毕业， 硕士学位， 现为安徽省电力科学研究院高压所副所长，高级工程师。是本项目的主要技

21、术负责人。王贻平，上海交通大学毕业，硕士学位， 现为安徽省电力科学研究院高压所所长， 高级工程师。是本项目的主要技术负责人。朱琦， 在安徽省电力科学研究院高压所负责高压计量标准标准传递工作。在本项目中负责总体开发工作并应用。郭守贤，安徽省电力科学研究院副总工程师，高级工程师， 曾多次获省部级科技进步奖，为本项目的主要技术负责人。章述汉，武汉高压研究所， 高级工程师， 负责本项目的技术开发。向珂， 华中科技大学在读硕士研究生，负责本项目的技术开发。收稿日期： *+C*$C（刘家新编发）（上接第%$页）&CC名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -