基于Simulink的锁定放大器仿真技术的实现

锁相放大器是实现噪声中微弱信号参量测量的一种有效检测装置。该文介绍了锁定放大器的原理与实现方法,并利用MATLAB的Simulink工具箱对锁定放大器进行了建模和仿真。仿真结果表明,锁定放大器能很好地完成微弱信号测量。     

舰船尾流激光探测跟踪方法与试验

舰船尾流激光探测跟踪是水下航行器对舰船进行探测、识别、跟踪的新手段。论文基于舰船尾流分布特性、气泡目标特性,采用蒙特卡洛仿真方法,实现了多尺度、宽数密度、大厚度舰船尾流气泡群的后向散射回波信号特性仿真,得到了水下航行器载激光探测系统在搜索、跟踪阶段信号的变化趋势,以及不同目标舰船的激光后向回波信号变化强度,可有效模拟激光探测系统对舰船尾流目标特性的真实跟踪状态。对于大型船只,当激光探测系统位于尾流之下时,航行器距舰船目标越近,尾流气泡激光回波越强,脉冲宽度展宽幅度越大;当激光探测系统位于尾流之中时,航行器距舰船目标越近,尾流气泡激光回波越弱,脉冲宽度变窄幅度越大。探测系统位于尾流之下时与探测系统位于尾流之中时,信号变化相反。小型船只信号变化趋势基本与大型船只保持一致,但尾流激光探测回波强度变低。开展了湖泊环境下船舶尾流激光探测跟踪试验,当探测系统在尾流之下时,大型船只尾流激光回波信号信噪比高,小型船只尾流激光难以检测。探测系统位于尾流之中时,大小船只尾流激光探测系统都可实现有效探测。论文可为舰船尾流探测实际工程应用提供支撑。     

微弱原子荧光光场测量系统的设计简

在原子光学、量子通信、生物医学、食品安全和激光测量研究等领域,常常需要对荧光信号进行测量.而这些荧光信号的强度往往十分微弱,一般的探测方法难以检测.因此,针对微弱原子荧光光场分布信息的探测需求,设计搭建了一套测量系统.选用硅光电倍增管作为测量系统的探测元件,设计了跨阻放大电路来实现微弱电流信号的放大,并利用MultiSim软件对电路进行仿真分析,最终完成了测量系统的搭建、实现了对微弱光场的测量.实验结果表明,该系统可以很好地满足微弱光场分布信息的测量需求.     

数字激光告警系统探测接收前端设计

探测接收前端是激光告警系统的关键部件,针对数字激光告警系统设计激光脉冲探测接收前端.采用宽带、高增益、低噪声的跨导放大方式实现了对最小来袭激光脉冲产生的10 nA,10 ms的微弱窄脉冲电流的放大,采用放大器饱和方式实现信号的整形,把来袭激光脉冲转换、放大成数字系统能处理的数字脉冲,脉冲宽度代表作用能量大小.前端最小可检测来袭激光信号能量达1μW,动态范围达100 dB.该宽带低噪声跨导放大电路很好地处理了电容对窄脉冲的影响,具有带宽宽(500 MHz),成本低的特点,为放大微弱的ns级及以下的窄脉冲电流信号提供一个很好的宽带方案.该设计结构简单、成本低廉、易于维护,不仅可用于激光来袭探测,还可用于激光安防系统等.     

激光外差实验研究

利用激光外差探测原理实现综合孔径激光雷达探测越来越受到关注。通过二极管泵浦固体激光外差探测实验,实现了实验平台上接受目标反射微弱回波信号的外差探测,得到了信号光功率与本振光功率之间数量级差别的阈值范围,总结了实现激光外差探测应用于综合孔径激光雷达领域的条件。     

光电探测方法研究

为了获取光电检测系统中的更强光信号,提高光电探测效率及信噪比,分析了光电直接探测与相干探测系统原理及特征,针对光电探测系统中探测器接收的光信号微弱问题,提出了光前置放大探测与平衡探测方法及信噪比改善措施.理论分析表明,光前置放大探测与平衡探测具有更低的光强度响应.     

基于皮秒光参量技术对1064nm超微弱光信号的灵敏探测

正光参量放大技术(OPA)是利用非线性晶体作为参考耦合元件,通过将一束强的高频激光和一束弱的低频激光同时注入到晶体中,实现将弱信号放大,同时产生另一束低频激光的过程,其具有高增益、宽波长调谐等特性、在灵敏探测方面,光参量放大技术对相干或非相干的微弱光信号不仅可以提供高增益的放大,提高灵敏度,还可以通过参量频率上转换的方式,将近红外一中红外的光信号转换为可见光等波段,不仅探测起来更加容易,还可以大大减小红外探测时不可避免的噪声干扰,有效提高了探测信噪比。使用重复频率为1 kHz、脉宽21 ps的355 nm激光作为泵浦光,在BBO晶体中实现I类相位匹配,对超微弱的1064 nm相干光进行探测、采用光参量放大技术,通过参量频率上转换,可以在532 nm处探测到经过上转换的1064 nm种子光,并实现对单光子每脉冲的灵敏探测、该OPA系统对微弱光信号的增益达到了5.75×10~7。通过长距离传输放大信号,有效减小了噪声水平,也同样提高了探测信噪比。     

近地层紫外动态目标探测微弱信号放大器设计

针对紫外探测器输出信号微弱,常规放大电路难以实现对微弱信号放大,为此设计了一种适于近地层紫外动态目标探测的微弱信号放大器。通过分析探测器输出信号特点,提出了微弱信号放大器的指标要求。围绕预定的指标要求设计电荷前置放大电路、整形滤波电路以及增益调整电路,使放大器的输出波形满足总体设计要求。经软件Multisim模拟仿真结果表明,该放大器各项指标均达到设计要求,可以将探测器输出电荷脉冲信号放大整形输出相应准高斯脉冲波形,为后续处理提供可靠的信号,具有一定适用性。     

一种基于开关电容技术的锁定放大器设计

锁定放大是微弱信号检测的重要手段.基于相关检测理论,利用开关电容的开关实现锁定放大器中乘法器的功能,提出开关电容和积分器相结合以实现相关检测的方法,并设计出一种锁定放大器.该锁定放大器将微弱信号转化为与之相关的方波,通过后续电路得到正比于被测信号的直流电平,为后续采集处理提供方便.测量数据表明锁定放大器前级可将10-6A的电流转换为10-1V的电压,后级通过带通滤波器级联可将信号放大1×105倍.该方法在降低噪声的同时,可对微弱信号进行放大,线性度较高、稳定性较好.     

基于自动消偏的原子陀螺微弱光信号检测方法

核磁共振原子陀螺凭借其高精度、小体积、低成本的特点在国内外受到广泛关注。在获取检测目标的诸多方法中,较为常用的方法是监测探测光极化面旋转角的平衡偏振法。由于小型化带来的尺寸效应明显,光学元件间存在不可避免的方位误差,导致微弱光信号产生偏置,制约了该信号的提取与放大。为提高检测性能,分析了激光偏振态的差分检测原理,提出了一种基于比例积分（P-I）反馈回路的自动消偏方法,设计了基于硅光二级管的低噪声、高增益前置放大电路。最后,结合核磁共振陀螺样机系统,给出了该方法的仿真分析和实验结果,验证了该方法的有效性。     

远场微气泡尾流的后向散射线偏振度探测法

针对后向散射光强特性难以探测远场微气泡尾流的问题,利用矢量Monte Carlo方法对气泡尾流的多层多分散模型中线偏振光入射时后向散射的光强和线偏振度信号进行了仿真。验证了光强信号的"双尖峰"特性,同时发现了线偏振度信号的"双下降速率"特性,根据此特性提出了气泡尾流的线偏振度探测法。与常用的光强探测法相比,该方法的探测距离更远,气泡半径更小,是一种有效的远场微气泡尾流探测法。     

复杂混合尾流气泡场的激光探测特性研究

在实际舰船尾流激光探测过程中,激光探测系统与目标气泡层之间会存在杂质(气泡群、悬浮粒子),导致气泡回波信号信噪比降低。为了提高实际舰船尾流探测的信噪比,采用蒙特卡洛方法,仿真模拟了不同气泡层特性遮挡的情况,通过改变遮挡气泡层的厚度、数密度来探究其对目标气泡回波特性的影响,仿真得到：当遮挡气泡层存在时,回波信号会明显降低,且降低趋势随着遮挡气泡层厚度和数密度的增加而更为剧烈。搭建了实验室条件下的模拟舰船尾流激光探测系统,对不同气泡层特性遮挡的情况进行了验证,得到了遮挡效应会随着气泡层的厚度、数密度增大而不断变强的变化规律。对测试数据进行归一化处理,实现了仿真与实验的相互验证,可为舰船尾流激光探测工程化提供支撑。     

一种红外检测气室结构的设计和优化

鉴于传统气室结构检测灵敏度较低的问题,设计了一种椭球体反射镜气室结构,建立了椭球反射镜的数学模型,给出了其结构参数与探测器接收光强之间的关系表达式。为了获得最大的接收光强,优化了椭球镜结构尺寸。当探测头直径为2cm时,所优化的椭球镜长轴为16cm,焦距14.96cm。实验结果表明,该光路结构可使探测器输出信号幅度提高约1.7倍,这将有利于后级电路的信号放大、数模转换等处理过程,从而提高气体浓度检测的灵敏度和精度。     

开放式激光检测中自动增益调节模块的研究

利用可调谐二极管吸收光谱技术结合开放式长光程技术对大气中痕量气体进行浓度监测的过程中,受到昼夜光强变化和大气能见度变化等因素的影响,信号在采集时变化幅度比较大,放大后的信号幅值有可能超出A/D转换的量程.设计了一种信号自动增益调节模块,应用在激光检测系统的信号放大处理过程中,并在福建泉港石化园区内对大气开放环境中的氨气浓度进行了连续监测.园区监测结果表明园区氨气浓度具有日变化周期:早晚浓度低,中午浓度高,主要来源于燃料燃烧和工业排放.解决了信号采集过程中信号幅度大幅变化的问题,验证了增益自动调节模块的功能,实现了稳定连续的痕量气体检测.     

基于阵列探测器的空间失配角匹配外差探测研究

空间失配角是影响外差探测的主要因素之一,很小的角度失配就会导致中频信号极为微弱。通过分析提出,外差信号的振幅可以视为探测器量子效率分布函数的傅里叶变换,基于此提出一种单元增益可调的阵列探测器接收方法。该方法通过设置阵列中探测单元的增益系数,使阵列有效量子效率分布函数的频谱特性匹配信号光与本振光形成的干涉光场,以此提高存在失配角时的中频信号的强度。通过对有效量子效率分布函数的调整,匹配不同角度入射的信号光,即可达到高速扫描探测的目的。     

基于非线性系统的小信号检测算法研究

本文研究了通信数据链系统的微弱小信号增强与接收检测算法。为了提升通信数据链系统中信号的接收性能，在低信噪比条件下，提出基于非线性系统的小信号检测算法。在非线性系统中，适当强度的噪声在一定程度上会增强输出信号的幅值，从而实现在强大的噪声背景环境下对微弱小信号的增强和检测功能。本文着重研究了非线性系统中的双稳态系统，分析了通信数据链系统中的 MSK 信号输入到双稳态系统中，利用 Matlab 仿真出输入非线性系统前后的信号时域频域波形图，进而分析了基于通信数据链系统的小信号增强与检测算法性能。Matlab 仿真结果表明，本文提出的算法可以有效改善低信噪比条件下的通信信号接收性能，在信号处理与接收领域有着重大的应用前景。     

Detection of coherent optical radiation

Sensitive coherent detection techniques, identical in principle to the methods applicable in the RF or microwave regions, are being investigated at optical wavelengths. Since we already can reach the natural limit of being able to count individual photons in both the short-wavelength visible and near-ultraviolet regions, there is no possibility for sensitivity improvement in those spectra. However, at increased wavelengths, where the detectors are several orders of magnitude away from being able to count photons, much higher sensitivity can be achieved through the use of coherent detection methods. In optical superheterodyne detection the mixing in the superheterodyne receiver arises because optical detectors measure the intensity rather than the amplitude of the light waves, and thus square-law detection results. Another detection method is based on a truly nonlinear effect, in which the electric field associated with the incident radiation is so strong that it drives the polarization out of the linear region. Parametric amplification of the optical signal then becomes possible.     

基于深度学习的海上目标一维序列信号目标检测方法

当前海面目标检测方法多基于统计理论,检测性能受背景统计特性假设的影响,本文从信号预测和特征分类两个角度,分别采用长短时记忆网络(LSTM)和卷积神经网络(CNN)对信号时间序列幅度信息进行处理,用于海上目标一维序列雷达信号检测,该方法不需事先假设背景统计特性,泛化能力更强。基于LSTM序列预测的目标检测方法通过用海杂波信号幅度时间序列对网络进行训练,再用训练后的网络对后续序列进行预测,并与后续实测信号进行比较,实现目标检测。基于CNN序列分类的目标检测方法中采用截取的海杂波信号和目标信号幅度序列作为数据集样本,对一维卷积核CNN进行训练,使其具有识别目标杂波信号特征能力,从而实现目标检测。最后,采用IPIX和CSIR实测海杂波数据对两种方法进行验证,结果表明两种方法均可实现一维序列信号中海面目标的检测,但LSTM预测方法对于长序列检测的实时性有待于进一步提高;CNN分类方法可实现实时检测,但仅利用信号幅度信息,检测性能仍需进一步提升。      

光外差平衡检测与本振光强度噪声抑制研究

对LD泵浦固体连续激光器强度噪声的来源与特征及光外差平衡接收技术进行了介绍。重点分析了平衡探测器两臂的幅度失配及相对传播时延对信号检测与噪声抑制的影响,最后进行了数值计算。结果表明,平衡探测器抑制强度噪声中的宽带噪声时,必须进行严格的相对延时控制。对于f^{_{-3 dB}}=884 MHz的幅度匹配平衡探测器,抑制宽带噪声30 dB的相对延时必须控制在55.3 ps以内。