微弱信號檢測原理在光尾流探測中的應用

摘 要：微弱信號的探測與提取是激光尾流探測的核心技術之一，詳細介紹提高微弱信號檢測能力的硬件實現及信號處理方法。提出了前置放大器的實現措施和以正交矢量鎖定放大器為原理的光尾流信號檢測方法。針對實際應用，對激光通過不同強度尾流后所接收的信號進行仿真。仿真結果表明，當尾流強度發生微弱變化時，鎖定放大器輸出信號幅度同時產生明顯變化，利于光尾流信號的檢測，驗證了微弱信號檢測原理在光尾流探測中的可行性。

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關鍵詞：光尾流；微弱信號；前置放大；鎖定放大

中圖分類號：TJ630.34 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-124-03

Application of Weak Signal Detection Principle in Lighting Wake Detection

XU Xiaoyan1，2，WANG Hailu1，2，JI Bangjie1，2，TANG Weijiang2

(1.National Key Laboratory for Underwater Information Process Control，Xi′an，710075，China;

2.Xi′an Precision Machinery Research Institute， Xi′an，710075，China)

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Abstract：Weak signal detection and distilling is one of key technology in lighting wake detection.Methods of implementing of preamplifier and lock in amplifier based on quadratura vector theory is discussed.According to an actual application，processed signal amplitude crossing different intensity of wake is simulated.The simulation results show that signal amplitude is clearly diffrenent when intensity of wake changes weakly.The principle of weak signal detection is proved feasible by analysis results.

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Keywords：lighting wake；weak signal；pre-amplifier；lock in amplifier

尾流是艦船運動時產生的一段含大量氣泡的湍流區域，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，使海水介質的特性發生了明顯變化，為尾流自導的探測和導引提供了基礎。在探測過程中，通過對激光束透過氣泡幕的前向散射信號進行采集及分析，得出以下結論：隨著尾流中存在氣泡的大小、密度的變化，光透過尾流后的散射信號的強度及光譜都將產生相應變化，然而激光探測的靈敏度很高，海洋環境復雜，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，如何設計低噪聲信息處理系統從而有效提取微弱有用信息已成為尾流氣泡探測的關鍵問題。為此，設計了光尾流檢測系統，重點研究前置放大問題以及微弱信號檢測問題，并進行仿真驗證，效果良好。

1 光尾流檢測處理電路的設計

光尾流檢測主要測試激光通過氣泡散射到達接收系統的強度變化情況。這個過程需要經過信號采集、光電轉換、放大、濾波等過程，系統通過硬件設計進行信號的放大及降噪處理，提高系統的抗干擾能力，并采用數字鎖定放大技術對信號進行檢測，提高了系統的檢測能力。

光尾流檢測處理電路原理框圖如圖1所示。

圖1 光尾流檢測處理電路原理框圖

在微弱電流檢測中，前置放大電路是信號處理的第一級，該電路完成I/V變換，同時進行小信號放大，在這一級混入噪聲，將會降低系統的檢測性能，因此前置放大尤為重要。本系統的輸入信號為固定頻率的交流信號，帶寬較窄，理想情況下，放大器在該頻段內應有良好的線性，即放大器對各種幅度的信號放大倍數應恒定，否則會造成譜線畸變。然而在實際應用過程中，放大器的增益會受到電源電壓不穩定、元件老化以及溫度變化的影響，導致其線性度下降。因此該系統采用負反饋措施，將各種不穩定因素減小到最低程度，提高前置放大器的線性度。選擇FET型低噪聲運放芯片OPA124作為前置放大器，他具有低偏置電流、低失調電壓等特性，能很好地解決微弱信號放大問題。圖2為I/V變換電路原理圖。

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圖2 I/V變換電路原理圖

2 光尾流信號檢測原理

在工程應用中，微弱信號檢測方法是將信號經過前置放大，再利用鎖定放大器將其提取出來。鎖定放大器的基本結構包括信號通道、參考通道、相敏檢測器(PSD)和濾波器等。根據不同的用途可分類為：正交矢量型鎖定放大器、外差式鎖定放大器等。光尾流檢測利用正交矢量鎖定放大器進行檢測，利用兩個正交的分量計算出幅度和相位，在本系統考慮幅度的變化，暫不考慮相位的變化。其原理圖如圖3所示。

圖3 正交矢量鎖定放大器原理圖

傳統的鎖定放大方法是利用模擬器件實現，這種方法速度快，然而價格昂貴、體積較大、應用不靈活，因此不適合于光尾流檢測系統戶外試驗的要求。數字鎖定放大器通過軟件和硬件的結合進行處理，可用來測試各種不同的微弱信號，操作性強、靈活、方便。

正交矢量鎖定放大器原理如下所示：

假設被測信號為X(t)由有用信號S(t)和噪聲N(t)組成，Y(t)與Y′(t)為參考信號。有用信號及參考信號為正弦函數，頻率為f，對上述信號作采樣，采樣頻率為fs，得到數字信號：X(m)，S(m)，N(m)，Y(m)，Y′(m)，則有:



X(m)=S(m)+N(m) 

=Asin(2πmf/fs+θ+φ)+N(m)(1)

Y(m)=Bsin(2πmf/fs+θ)(2)

Y′(m)=Bsin(2πmf/fs+θ+90°)

=Bcos(2πmf/fs+θ)

=Bcos{arcsin［Y(m)/B］}

(3)



兩個信號的互相關函數定義為：



Rxy(n)=1M∑M－1m=0X(m)Y(m+n)

(4)



其中n為延遲時間，當X(m)=Y(m)時，Rxx(n)為X(m)的自相關函數。取信號延時為0，則被測信號與參考信號Y(m)，Y′(m)的互相關函數以及參考信號Y(m)的自相關函數分別為：



Rsy(0)=1M∑M－1m=0S(m)Y(m) 

=1M∑M－1m=0X(m)Y(m)+1M∑M－1m=0N(m)Y(m)

=1M∑M－1m=0X(m)Y(m)=12ABcos φ

(5)

R′sy(0)=1M∑M－1m=0S(m)Y′(m)

=1M∑M－1m=0X(m)Y′(m)+1M∑M－1m=0N(m)Y′(m)

=1M∑M－1m=0X(m)Y′(m)=12ABsin φ

(6)

Ry(0)=1M∑M－1m=0Y(m)Y(m)

=1M∑M－1m=0Bsin(2πfm+θ)Bsin(2πfm+θ)

=12B2

(7)

[DW] B=2Ry(0)(8)

[DW] A=［2Rsy(0)］2+［2

R′sy(0)］22Ry(0) 

=A2B2cos2φ+A2B2sin2φB2

(9)



信號幅度估計誤差Δ=－AA×100%，Δ越小說明檢測可靠性越高。因此，數字鎖定放大器利用上述原理，便可從測量信號S(m)中提取出被測信號X(m)的幅值A，并可驗證其可靠性。

3 仿真分析

仿真的測量信號形式如式(1)，參考信號形式如式(2)，式(3)，假設進入尾流的干擾為高斯白噪聲，均值為0，方差為δ2，信號頻率1 kHz，采樣頻率10 kHz，積分時間100 ms，即快拍數M=105，仿真結果如圖4~圖8所示。

當無尾流時，假設輸入信號幅度為5 V，圖4為截取50 ms時的信號波形。輸出信號幅度估計如圖5所示。

圖4 鎖定放大器輸入波形

估算出輸出信號的幅度估計均值為5001 V，其幅度估計誤差如圖6所示，其最大相對誤差Δ=018％，因此在無尾流時，利用數字鎖定放大器進行輸出信號的檢測估計是有效的。

圖5 無尾流時輸出信號幅度估計值

圖6 無尾流時的信號幅度相對誤差

假設當檢測系統進入尾流，根據尾流的強度不同，輸出信號將產生不同程度的衰減，同時也將不可避免地混入噪聲，圖6仿真系統通過不同強度尾流，所得到的輸出信號幅度估計值，圖7為三種情況下，信號幅度估計誤差。

圖7 衰減量為05 V，15 V，25 V時的幅度值

[JP3]圖中#8226;表示仿真尾流強度較弱情況，信號衰減量為05 V;*表示仿真尾流強度中等情況，信號衰減量為15 V;表示仿真尾流強度較強情況，信號衰減量為25 V。[LL]

由仿真結果可以看出，尾流強度較弱時，信號衰減量較小，其輸出信號幅度估計均值為4502 6 V，最大相對誤差Δ=1.17％；尾流強度中等時，輸出信號幅度估計均值為3503 3 V，最大相對誤差Δ=1.13％；尾流強度較強時，輸出信號幅度估計均值為2500 1 V，最大相對誤差Δ=111％，因此，利用數字鎖定放大器對其進行檢測估計，能可靠檢測出有用信號的幅度值，從而為光尾流檢測提供新的途徑。

圖8 相對于衰減量為05 V，15 V，25 V時

的幅度相對誤差

4 結 語

本文介紹了一種光尾流檢測電路， 利用高性能運放設計的前置放大電路，具有精度高、穩定性好、體積小和量程大等優點，同時利用數字鎖定放大原理對數據進行仿真研究，結果表明該方法可有效抑制噪聲，提高信噪比，在光尾流檢測中具有很強的實用性。

參 考 文 獻

［1］高晉占.微弱信號檢測［M］.北京:國防工業出版社，2002.

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［2］張建華.微弱信號光電檢測系統［J］.光電子技術，2002，22(2):87-89.

［3］聶紹龍，黃旭初.微弱信號檢測的原理及實現［J］.電測與儀表，2002，39(12):9-12.

［4］李方方.弱信號檢測與采集技術研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006.

［5］李江華，李陽，惠軼.基于單片機的微弱信號測量及數據傳輸［J］.現代電子技術，2006，29(12):132-133，136.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。