陸俊在做實(shí)驗(yàn) 中科院物理研究所供圖
不讓重要的信號(hào)“埋葬”在噪音里，哪怕它極其微弱，這就是鎖相放大器的使命。
隨著科研和工業(yè)領(lǐng)域精細(xì)測(cè)量微弱信號(hào)的需求不斷增多，鎖相放大器的需求量也不斷增長(zhǎng)，但是全球鎖相放大器市場(chǎng)主要由外國(guó)少數(shù)公司控制。
(相關(guān)資料圖)
經(jīng)過(guò)十幾年的研究，中科院物理研究所副主任工程師陸俊團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鎖相放大器目前已經(jīng)在中科院、首都師范大學(xué)等高校和科研單位應(yīng)用，他希望早日實(shí)現(xiàn)鎖相放大器的國(guó)產(chǎn)化替代。
“沙里淘金”
鎖相放大器，是一種可以從干擾極大的環(huán)境中對(duì)特定頻率的電學(xué)信號(hào)進(jìn)行提取，還能進(jìn)一步聚焦和鎖定特定相位上步調(diào)一致成分的電子學(xué)儀器，從而濾除噪聲，達(dá)到微弱信號(hào)檢測(cè)的目的。
陸俊解釋說(shuō)，鎖相放大器對(duì)于被噪聲干擾的信號(hào)，能讓無(wú)關(guān)噪聲抵消，卻讓被測(cè)信號(hào)增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜世界的精細(xì)感知，“跟普通的萬(wàn)用表、示波器相比，當(dāng)信號(hào)特別微弱或被噪聲淹沒(méi)無(wú)法看到時(shí)，使用鎖相放大器恰好能從噪聲中提取出有用信息。”
在他看來(lái)，鎖相放大器的原理好比是“沙里淘金”，“首先我們先進(jìn)行頻率鎖定，也就是洗沙的工作，將目標(biāo)信號(hào)也就是金子確定在一個(gè)范圍內(nèi)；然后再通過(guò)另一個(gè)維度進(jìn)一步聚焦，去除多余的噪聲，提純目標(biāo)信號(hào)，相當(dāng)于通過(guò)辨別顏色去除沙塊，挑選金子。”
鎖相放大器經(jīng)歷了從模擬鎖相放大器到數(shù)字鎖相放大器的發(fā)展和演進(jìn)，它的發(fā)明極大地推動(dòng)了人類對(duì)于微弱信號(hào)的探測(cè)。
比如通過(guò)搭配了鎖相放大器的原子力顯微鏡，人們可以觀測(cè)并且操縱原子，將鎖相放大器用在電子電工的儀表和對(duì)人體健康的監(jiān)測(cè)上，也能更早地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防問(wèn)題。此外，在未來(lái)的跨星際探索中，它還可以用于開(kāi)展引力波探測(cè)和空間定位。
早在十幾年前，陸俊就開(kāi)始研究鎖相放大器，并開(kāi)創(chuàng)性地采用虛擬儀器方法進(jìn)行鎖相放大器的原理和應(yīng)用研究。
近年來(lái)，陸俊團(tuán)隊(duì)在超寬頻鎖相、時(shí)間分辨鎖相、脈沖鎖相等實(shí)際應(yīng)用方面又進(jìn)行了系統(tǒng)的研發(fā)，取得了突破性進(jìn)展。他們經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)出單周期信號(hào)的數(shù)字鎖相頻譜在估計(jì)頻點(diǎn)附近的局部函數(shù)形式并用三點(diǎn)擬合進(jìn)行測(cè)頻，避免經(jīng)驗(yàn)拋物線函數(shù)的偏差問(wèn)題，精度達(dá)到統(tǒng)計(jì)理論限值，而且相比快速傅里葉變換FFT測(cè)頻復(fù)雜度跟取樣長(zhǎng)度N的關(guān)系由N*log (N)倍降為N倍依賴，基于此，使用較少的運(yùn)算量就能達(dá)到精確測(cè)頻與鎖相的結(jié)果。
此外，部份鎖相放大技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)實(shí)現(xiàn)80皮安平方米靈敏的微弱磁矩探測(cè)、在強(qiáng)電磁脈沖干擾下恢復(fù)脈沖磁致伸縮信號(hào)等。
向“國(guó)產(chǎn)化替代”邁進(jìn)
正因?yàn)殒i相放大器檢測(cè)微弱信號(hào)能力高，科研和工業(yè)等領(lǐng)域?qū)λ男枨笠苍絹?lái)越高。
據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2026年鎖相放大器行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研及投資策略建議報(bào)告》顯示，2020年我國(guó)鎖相放大器市場(chǎng)規(guī)模超10億元，而這一市場(chǎng)主要被美國(guó)斯坦福儀器、瑞士蘇黎世儀器等國(guó)外少數(shù)公司占領(lǐng)。
自20世紀(jì)70年代以來(lái)，中科院物理研究所等科研機(jī)構(gòu)與高校開(kāi)始研究和生產(chǎn)鎖相放大器。目前，陸俊團(tuán)隊(duì)已經(jīng)率先研發(fā)出采用“測(cè)頻鎖相”算法的虛擬鎖相放大器。
他介紹說(shuō)，相比其他的虛擬鎖相放大器，采用“測(cè)頻鎖相”算法的虛擬鎖相放大器不僅能從更多維度去鎖定需要探測(cè)的信號(hào)，還在很多單項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了突破，帶寬達(dá)到20 GHz，動(dòng)態(tài)范圍140 dB，測(cè)頻精度1 ppb，均為國(guó)際先進(jìn)水平。
在由中科院科技創(chuàng)新發(fā)展中心與海淀區(qū)發(fā)起的“CAS 概念驗(yàn)證計(jì)劃”，中科智匯工場(chǎng)技術(shù)經(jīng)理人等方面的幫助下，陸俊團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鎖相放大器已經(jīng)在一些高校和科研單位應(yīng)用。
在他看來(lái)，雖然國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了性能基本對(duì)標(biāo)進(jìn)口的鎖相放大器產(chǎn)品，但用戶出于慣性依舊會(huì)選擇市場(chǎng)上成名已久的外國(guó)品牌。
對(duì)此，陸俊希望通過(guò)高端示范進(jìn)入市場(chǎng)，增強(qiáng)用戶深入應(yīng)用，提高用戶信賴度，塑造自有品牌。
隨著“十四五”時(shí)期基礎(chǔ)科研條件與重大科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)專項(xiàng)“精密大帶寬鎖相放大器”項(xiàng)目獲批立項(xiàng)，陸俊表示，團(tuán)隊(duì)作為其中課題的負(fù)責(zé)方，將利用自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，持續(xù)迭代并推廣應(yīng)用，以早日實(shí)現(xiàn)鎖相放大器的國(guó)產(chǎn)化替代。
標(biāo)簽：
