微弱信号检测原理在光尾流探测中的应用

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摘 要：微弱信号的探测与提取是激光尾流探测的核心技术之一，详细介绍提高微弱信号检测能力的硬件实现及信号处理方法。提出了前置放大器的实现措施和以正交矢量锁定放大器为原理的光尾流信号检测方法。针对实际应用，对激光通过不同强度尾流后所接收的信号进行仿真。仿真结果表明，当尾流强度发生微弱变化时，锁定放大器输出信号幅度同时产生明显变化，利于光尾流信号的检测，验证了微弱信号检测原理在光尾流探测中的可行性。

关键词：光尾流；微弱信号；前置放大；锁定放大

中图分类号：TJ630.34 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)09-124-03オ

Application of Weak Signal Detection Principle in Lighting Wake Detection

XU Xiaoyan1,2，WANG Hailu1,2，JI Bangjie1,2，TANG Weijiang2

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

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

オ

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.

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

尾流是舰船运动时产生的一段含大量气泡的湍流区域，存在着尺寸为几十微米到几厘米之间的气泡。由于这些气泡的存在，使海水介质的特性发生了明显变化，为尾流自导的探测和导引提供了基础。在探测过程中，通过对激光束透过气泡幕的前向散射信号进行采集及分析，得出以下结论：随着尾流中存在气泡的大小、密度的变化，光透过尾流后的散射信号的强度及光谱都将产生相应变化，然而激光探测的灵敏度很高，海洋环境复杂，存在如红外辐射、热噪声等的影响，使有用信息深埋在各种干扰噪声中。因此，如何设计低噪声信息处理系统从而有效提取微弱有用信息已成为尾流气泡探测的关键问题。为此，设计了光尾流检测系统，重点研究前置放大问题以及微弱信号检测问题，并进行仿真验证，效果良好。

1 光尾流检测处理电路的设计

光尾流检测主要测试激光通过气泡散射到达接收系统的强度变化情况。这个过程需要经过信号采集、光电转换、放大、滤波等过程，系统通过硬件设计进行信号的放大及降噪处理，提高系统的抗干扰能力，并采用数字锁定放大技术对信号进行检测，提高了系统的检测能力。

光尾流检测处理电路原理框图如图1所示。

图1 光尾流检测处理电路原理框图

在微弱电流检测中，前置放大电路是信号处理的第一级，该电路完成I/V变换，同时进行小信号放大，在这一级混入噪声，将会降低系统的检测性能，因此前置放大尤为重要。本系统的输入信号为固定频率的交流信号，带宽较窄，理想情况下，放大器在该频段内应有良好的线性，即放大器对各种幅度的信号放大倍数应恒定，否则会造成谱线畸变。然而在实际应用过程中，放大器的增益会受到电源电压不稳定、元件老化以及温度变化的影响，导致其线性度下降。因此该系统采用负反馈措施，将各种不稳定因素减小到最低程度，提高前置放大器的线性度。选择FET型低噪声运放芯片OPA124作为前置放大器，他具有低偏置电流、低失调电压等特性，能很好地解决微弱信号放大问题。图2为I/V变换电路原理图。

お

图2 I/V变换电路原理图

2 光尾流信号检测原理

在工程应用中，微弱信号检测方法是将信号经过前置放大，再利用锁定放大器将其提取出来。锁定放大器的基本结构包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和滤波器等。根据不同的用途可分类为：正交矢量型锁定放大器、外差式锁定放大器等。光尾流检测利用正交矢量锁定放大器进行检测，利用两个正交的分量计算出幅度和相位，在本系统考虑幅度的变化，暂不考虑相位的变化。其原理图如图3所示。

图3 正交矢量锁定放大器原理图

传统的锁定放大方法是利用模拟器件实现，这种方法速度快，然而价格昂贵、体积较大、应用不灵活，因此不适合于光尾流检测系统户外试验的要求。数字锁定放大器通过软件和硬件的结合进行处理，可用来测试各种不同的微弱信号，操作性强、灵活、方便。

正交矢量锁定放大器原理如下所示：

假设被测信号为X(t)由有用信号S(t)和噪声N(t)组成，Y(t)与Y′(t)为参考信号。有用信号及参考信号为正弦函数，频率为f，对上述信号作采样，采样频率为fs，得到数字信号：X(m),S(m),N(m),Y(m),Y′(m),г蛴:

И

X(m)=S(m)+N(m)

=Asin(2πmf/fs+θ+φ)+N(m)(1)

Y(m)=Bsin(2πmf/fs+θ)(2)

Y′(m)=Bsin(2πmf/fs+θ+90°)

=Bcos(2πmf/fs+θ)

=Bcos{arcsin［Y(m)/B］}

(3)

И

两个信号的互相关函数定义为：

И

Rxy(n)=1M∑M－1m=0X(m)Y(m+n)

(4)

И

其中n为延迟时间，当X(m)=Y(m)时，Rxx(n)为X(m)У淖韵喙睾数。取信号延时为0，则被测信号与参考信号Y(m),Y′(m)的互相关函数以及参考信号Y(m)У淖韵喙睾数分别为：

И

Rsy(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)=12ABcos 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)=12ABsin φ

(6)

Ry(0)=1M∑M－1m=0Y(m)Y(m)

=1M∑M－1m=0Bsin(2πfm+θ)Bsin(2πfm+θ)

=12B2

(7)

[DW] B=2Ry(0)(8)

[DW] A=［2Rsy(0)］2+［2

R′sy(0)］22Ry(0)

=A2B2cos2φ+A2B2sin2φB2

(9)

И

信号幅度估计误差Е=－AA×100%，Δг叫∷得骷觳饪煽啃栽礁摺R虼耍数字锁定放大器利用上述原理，便可从测量信号S(m)е刑崛〕霰徊庑藕弄X(m)У姆值AВ并可验证其可靠性。

3 仿真分析

仿真的测量信号形式如┦(1)，参考信号形式如┦(2),式(3)，假设进入尾流的干扰为高斯白噪声，均值为0，方差为Е莫2，信号频率1 kHz，采样频率10 kHz，积分时间100 ms，即快拍数M=105，仿真结果如图4~图8所示。

当无尾流时，假设输入信号幅度为5 V，图4为截取50 ms时的信号波形。输出信号幅度估计如图5所示。

图4 锁定放大器输入波形

估算出输出信号的幅度估计均值为5001 V，其幅度估计误差如图6所示，其最大相对误差Еお=018％，因此在无尾流时，利用数字锁定放大器进行输出信号的检测估计是有效的。

图5 无尾流时输出信号幅度估计值

图6 无尾流时的信号幅度相对误差

假设当检测系统进入尾流，根据尾流的强度不同，输出信号将产生不同程度的衰减，同时也将不可避免地混入噪声，图6仿真系统通过不同强度尾流，所得到的输出信号幅度估计值，图7为三种情况下，信号幅度估计误差。

图7 衰减量为05 V,15 V,25 V时的幅度值

[JP3]图中•表示仿真尾流强度较弱情况，信号衰减量为05 V;*表示仿真尾流强度中等情况，信号衰减量为15 V;s表示仿真尾流强度较强情况，信号衰减量为25 V。[LL]

由仿真结果可以看出，尾流强度较弱时，信号衰减量较小，其输出信号幅度估计均值为4502 6 V，最大相对误差Еお=1.17％；尾流强度中等时，输出信号幅度估计均值为3503 3 V，最大相对误差Еお=1.13％；尾流强度较强时，输出信号幅度估计均值为2500 1 V，最大相对误差Еお=111％，因此，利用数字锁定放大器对其进行检测估计，能可靠检测出有用信号的幅度值，从而为光尾流检测提供新的途径。

图8 相对于衰减量为05 V,15 V,25 V时

的幅度相对误差

4 结 语

本文介绍了一种光尾流检测电路, 利用高性能运放设计的前置放大电路，具有精度高、稳定性好、体积小和量程大等优点,同时利用数字锁定放大原理对数据进行仿真研究，结果表明该方法可有效抑制噪声，提高信噪比，在光尾流检测中具有很强的实用性。

参 考 文 献

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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。