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见证|第10期 · “去伪存真”，锁相放大器精细感知复杂世界
文章来源： | 发布时间：2022-07-01
本期走进中科院物理研究所陆俊团队的“锁相放大器”项目。
锁相放大器，是一种可以从干扰极大的环境中对特定频率的电学信号进行提取，还能进一步聚焦和锁定特定相位上步调一致成分的电子学仪器，从而滤除噪声，达到微弱信号检测的目的。锁相放大器的发明极大地推动了人类对于微弱信号的探测，比如搭配了锁相放大器的原子力显微镜，让人们可以观测并且操纵原子；一些电子电工的仪表、对人体健康的监测也能用到锁相放大器，这样我们就能更早的发现问题及时预防；在未来的跨星际探索中，高精度锁相放大器也可用来开展引力波探测和空间定位。自1941年第一台锁相放大器发明以来，锁相放大器经历了从模拟锁相放大器到数字锁相放大器的发展和演进。我国自20世纪70年代开始了对锁相放大器的研究，中科院物理研究所、南京大学、中山大学等科研机构与高校先后研制出锁相放大器。近几年由陆俊带领的中科院物理研究所研发团队在超宽频锁相、时间分辨锁相、脉冲锁相等实际应用方面进行了系统的研发，取得突破性进展：经过理论推导出单周期信号的数字锁相频谱在估计频点附近的局部函数形式并用三点拟合进行测频，避免经验抛物线函数的偏差问题，精度达到统计理论限值，而且相比快速傅里叶变换FFT测频复杂度跟取样长度N的关系由N*log (N)倍降为N倍依赖，基于此使用较少的运算量就能达到精确测频与锁相的结果，部分锁相放大技术已经应用于振动样品磁强计实现80皮安平方米灵敏的微弱磁矩探测、在强电磁脉冲干扰下恢复脉冲磁致伸缩信号等。
“锁相放大器对于被噪声干扰的信号，能让无关噪声抵消，而让被测信号增强，从而实现对复杂世界的精细感知，跟普通的万用表、示波器相比，当信号特别微弱或被噪声淹没时无法看到，使用锁相放大器恰好能从噪声中提取出有用信息。”陆俊在介绍锁相放大器的原理时谈到，“打个比方，锁相放大器的工作原理就像从一堆沙里淘金。首先我们先进行频率锁定，也就是洗沙的工作，将目标信号也就是金子确定在一个范围内，然后再通过另一个维度进一步聚焦，去除多余的噪声，提纯目标信号，相当于通过辨别颜色去除沙块，挑选金子。”
早在十几年前，陆俊就开始研究锁相放大器，并开创性的采用虚拟仪器方法进行锁相放大器的原理和应用研究。目前陆俊团队已经率先研发出采用“测频锁相”算法的虚拟锁相放大器，相比其他的虚拟锁相放大器，能够从更多维度去锁定需要探测的信号，并且还在很多单项关键指标上实现了突破，带宽达到20 GHz，动态范围140 dB，测频精度1 ppb，均为国际先进水平。根据相关行业报告显示，随着科研以及工业领域精细测量微弱信号的需求不断增多，锁相放大器的应用需求量不断增长。2020年，我国锁相放大器市场规模约为10亿元。这一市场主要被美国斯坦福仪器、瑞士苏黎世仪器等国外少数公司所占领。虽然国内出现了性能基本对标进口的锁相放大器产品，但由于用户出于惯性依旧会选择市场上成名已久的外国品牌。目前陆俊团队研发的锁相放大器已经在中科院、首都师范大学等高校和科研单位有所应用，下一步将通过高端示范进入市场，增强用户深入应用，提高用户信赖度，塑造自有品牌。该项目参加了由中科院科技创新发展中心与海淀区发起的“CAS 概念验证计划”，并得到了计划执行方中科智汇工场技术经理人在市场推广、投融资等方面提供的帮助，陆俊对此表达了由衷的感谢。对于下一步的发展，陆俊谈到，十四五时期基础科研条件与重大科学仪器设备研发专项“精密大带宽锁相放大器”项目已获批立项，团队作为其中课题负责方将利用自身的技术优势，持续迭代并推广应用，以早日实现锁相放大器的国产化替代。