引 言
激光烟雾衰减测验体系的首要功用是丈量红外激光(1.06um和10.6um)在特制烟雾中的传输功用。在作业时，发射体系发射红外激光，使其在大气中传输一段距离，在其光路上施放特制的烟雾，测验体系测验该激光通过烟雾抵达接纳体系时的强度改变状况。因为天然界中存在各种红外辐射源(物体对光的反射、物体本身辐射、周围环境的辐射等)，其强度有时乃至比信号还要强，因而在丈量进程中，激烈的布景辐射都将不可避免地进入测验体系，构成所谓的布景噪声；此外，大气湍流扰动对红外激光辐射的搅扰也不能忽视。怎么有效地去除噪声的影响一起得到咱们所希望的高精度的数据是咱们所面临的首要问题。锁定扩展器所具有的强壮抗噪声才能使得这个问题能够得到很好的处理。本文将对锁定扩展器的功用特性及在激光烟雾测验体系中的运用办法作以评论和研讨。
烟雾衰减测验体系中所存在的噪声问题
在激光烟雾衰减测验体系中各种搅扰要素比较多。天然界中，太阳、月亮、星星、地上等均为天然红外辐射源，在进行户外测验(外场测验)状况下，天然辐射源的辐射都会搅扰红外仪器的作业，对体系的测验成果将会发生较大的影响。能够将这种搅扰称为布景辐射搅扰。红外体系在户外进行丈量时，天然辐射源所形成的激烈布景辐射都将不可避免进入体系。这些辐射经光电转化后即成为直流布景信号，其强度有时乃至比有用信号大几个数量级。假如直接选用直流扩展的办法对红外辐射进行丈量将会导致很大的的差错码。
针对这种状况，在传统的红外体系中常常选用改换的办法行将红外辐射调制成沟通信号后再将其发射出去。咱们能够用调制盘(斩波器)完结这个使命。调制盘将直流辐射信号改换成沟通信号，该信号能够由沟通扩展器或相关的检测仪器进行扩展处理，以此来削弱直流漂移和直流布景。可是，这种办法只能粗略地去掉布景噪声中的直流成分，而对接近于调制盘调制频率的布景辐射搅扰力不从心，尤其是当布景辐射搅扰的强度远远大于被丈量的红外辐射强度时更是如此，因而咱们有必要找到一种办法来去除这种搅扰。
锁定扩展器的作业原理和构成
同步相干检测技能在近20年来得到了快速开展，是从强噪声中提取弱信号的重要手法，在各种学科范畴尤其是电子学范畴得到日益广泛的运用。信息论和随机进程理论是其首要的理论基础，首要的内容有相关函数和相关接纳(又称相关检测)等。这种技能运用信号周期性和噪声随机性的特色，即信号和噪声两个互不相关，通过相关运算(自相关或互相关)，到达去除噪声的意图。
相关检测原理
相关检测原理如图所示：
图1 互相关检测原理图
图中f1(t)为接纳端输入信号， f2(t)为本地信号，其重复周期与输入信号中s1(t)的重复周期相同而且是“洁净的”， n1(t)是噪声信号。
设输入信号：
f1(t)= s1(t)+n1(t)
本地信号是：
f2(t)=s2(t)
则其相关函数
上式中τ是所研讨两点的时刻距离， 即两信号间的时延。
因信号与随机噪声发生彼此独立， 其互相关函数将是一个常数，等于两个随机函数平均值的积。若其间一个平均值是零，则相关函数为零。因噪声平均值为零， 所以上式中Rns2(τ)为零。因而相关函数的输出仅仅信号与本地信号的相关成果，噪声被去掉。在实践运用中，只要在核算相关函数求平均值的时刻比较长时， Rns2
(τ)才近于零， 然后得到较高的输出信号噪声比，该时刻可由实验确认。一般其值为积分器所选用的低通滤波器的时刻常数RC 值的4—5倍。
由以上简略的公式推导咱们能够看出互相关运算确实能够大起伏地去除噪声的影响。锁定扩展器便是运用互相关原理规划的一种同步相干检测仪，是对被测信号和参阅信号进行相关运算的电子设备。它具有非常窄小的信号和噪声带宽，按照一般带通滤波器Q 值的意义，其等效Q值可到达108量级，这是惯例滤波器所无法到达的。
锁定扩展器的组成结构
下面临锁定扩展器的组成结构作以扼要的阐明。典型的锁定扩展器如图2所示。图2中能够看出，一般锁定扩展器能够分为3个部分，即：信号通道、参阅通道和相关器(在积分器后边还应有直流扩展器，图中未画出)，下面别离介绍各自功用及组成：
相关器
相关器是锁定扩展器的要害部件，包含乘法器和积分器2部分，它终究完结被测信号与参阅信号互相关函数运算。它有必要具有动态规模大、漂移小、时刻常数可调、增益安稳和频率规模宽等特色。它要求输入信号为正弦波或方波，假如被测信号是直流信号，则可用斩波器先将它转化为沟通方波再进行转化检测。
图2 锁定扩展器的组成结构原理图
信号通道
信号通道坐落相关器之前，由输入扩展器、低噪声前置扩展器、各种有源滤波器和扩展器组成。其效果是扩展弱信号到足以推进相关器作业的电平，并兼有按捺和滤除部分噪声和搅扰的功用，扩展仪器的动态规模。其前置扩展器最佳信号源电阻有必要能够与不同传感器进行噪声匹配以得到最佳噪声特性。
参阅通道
其效果是输出和输入信号同步的、占空比为1 ：1 的、具有必定起伏的对称方波，以驱动相关器。由触发电路、倍频电路、相移电路、方波发生和驱动电路等组成。
直流扩展器
这也是锁定扩展器的一个重要部分，在图中没有画出。其首要的功用是将积分器输出的直流或缓变信号扩展，使其满意后续数据收集体系对信号的要求。直流扩展器的首要问题是零漂的影响，考虑到前级相关器的输出或许很小，因而应挑选低漂移的运算扩展器作为直流扩展器的前置级，一起要有尽量小的1/f噪声。
激光烟雾衰减测验体系的构成及锁定扩展器的运用
激光烟雾衰减测验体系的构成
红外体系本质上是一个光学—电子体系，其基本功用是将接纳到的红外辐射转化成为电信号并运用它去到达某种实践运用的意图。激光烟雾衰减测验体系是一个典型的红外体系，因而具有一般红外体系所具有的特征：既包含光学体系、调制盘、红外探测器、电子线路和显现纪录设备等。接连的红外辐射调制盘调制成交变信号输出，在传输进程中遭到大气中某些气体分子的挑选性吸收和红外烟雾中悬浮微粒(气溶胶)的散射而衰减，上述被衰减的红外辐射被光学体系接纳并聚集到红外探测器呼应平面上，红外探测器将红外辐射转变为电信终究剖析处理，这便是激光烟雾衰减测验体系的作业原理。
如上所述，本体系的结构简图如图3(这儿只画出接纳部分)所示。
图3 激光烟雾衰减测验体系接纳部分简图
从图3中能够看到，锁定扩展器能够运用在探测器后边的信号调度电路中，对探测器传来的反映激光强度巨细的电信号进行去噪声处理，之后将信号送给下一级的数据收集体系进行解说剖析。其作业进程如下：红外激光信号及红外布景噪声一起通过光阑，经光学调制盘调制后变成沟通方波信号，再通过光学体系射入红外探测器的光敏面上，探测器输出与激光强度有必定联系的正弦波沟通信号送入锁定扩展器进行丈量，丈量后的成果经信号调度电路进行处理后将被送往下一级数据收集体系进行记载和剖析处理。相关扩展器的参阅信号是由操控光学调制盘的振动源给出的。由图中能够看出，相关扩展器在本体系中起着承上启下的效果，位置非常重要。
锁定扩展器在实践运用进程中需求留意的几个问题
这儿需求阐明：锁定扩展器尽管具有许多长处，但它在实践运用进程中有几个问题需求留意。相关解调器的丈量时刻及对丈量成果的影响图1 所示的相关解调器的积分运算，一般是选用RC低通滤波器来完结，这种低通滤波器相当于时刻常数为3RC—5RC的积分器。因而，相关解调器的积分时刻不能无限长(任何信号都不或许做到丈量时刻无限长)。明显，有限长时刻内的互相关运算不或许彻底去除噪声。在答应的状况下，丈量的时刻越长，能够检测的信号越小。
参阅信号的获取
相关器是锁定扩展器的要害部件。在进行相关运算时，有必要要有一个起伏稳定、与信号同频率的方波参阅信号。在许多锁定扩展器的运用场合，这个参阅信号能够从振动器取得(如图中所示)，再使被测信号也具有这个频率，这样就完结了同频的要求，然后就能够完结在观测噪声中正弦信号起伏的检测。一般来讲，商品化的斩波器中都有参阅信号的输出可供运用。别的，其起伏一般应大于100mV以上。
参阅信号的相位
在检测时不或许预先知道被测信号的相位，因而相关解调器中有必要设置参阅信号的移相电路，以调理相位到达与被测信号相同或反相。相位的改变应能够在0—360度规模内进行调整。
锁定扩展器的信噪比改进程度
锁定扩展器的信噪比改进程度为SNIR=2Bin/△fn，Bin为相关解调器前面带通滤波器的带宽，△fn是低通滤波的噪声带宽。因为△fn 远远小于Bin ，因而信号的信噪比将大大改进。可是当噪声过大时，器材的非线性特性使乘法器不再具有抱负乘法特性，进入过载状况，此刻的相关解调器输出信噪比敏捷恶化，因而，在运用规划时应尽量使相关解调器具有大的过载才能； 此外， △fn过小会使丈量时刻过长，因而应该认识到：相关解调器的信噪比改进程度是有限的。
结 语
从上面的评论能够看出，激光烟雾衰减测验体系中的调制盘使红外激光辐射由直流辐射变成了交变辐射，而且其输出的参阅信号能够直接供锁定扩展器运用，然后充沛满意了锁定扩展器在本体系运用中所需求的2个首要条件。运用锁定扩展器后，体系的丈量精度大大提高，抗布景辐射搅扰的才能也大大增强，为烟雾研讨部分测验烟雾的各项技能指标供给了更准确的丈量手法。
