微弱信號檢測原理在光尾流探測中的應用

　　尾流是艦船運動時產生的一段含大量氣泡的湍流區(qū)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(fā)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)通過硬件設計進行信號的放大及降噪處理，提高系統(tǒng)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(tǒng)的檢測能力。

　　光尾流檢測處理電路原理框圖如圖1所示。

　　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(tǒng)的檢測性能，因此前置放大尤為重要。本系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)采用負反饋措施，將各種不穩(wěn)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。

　　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(tǒng)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。

　　傳統(tǒng)的鎖定放大方法是利用模擬器件實現(xiàn)，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(tǒng)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：

　　其中n為延遲時間，當X(m)=Y(m)時，Rxx(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：

　　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δ2，信號頻率1 kHz，采樣頻率10 kHz，積分時間100 ms，即快拍數M=105，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。

　　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△=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。

　　假設當檢測系統(tǒng)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(tǒng)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。

　　圖中?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。

　　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△=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△=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△=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。

　　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(wěn)定性好、體積小和量程大等優(yōu)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。