作者:田瑞颖 来源:中国科学报 发布时间:2022/6/28 21:19:29
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陆俊:“沙里淘金”十余载

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陆俊在做实验 中科院物理研究所供图

 

不让重要的信号“埋葬”在噪音里,哪怕它极其微弱,这就是锁相放大器的使命。

随着科研和工业领域精细测量微弱信号的需求不断增多,锁相放大器的需求量也不断增长,但是全球锁相放大器市场主要由外国少数公司控制。

经过十几年的研究,中科院物理研究所副主任工程师陆俊团队研发的锁相放大器目前已经在中科院、首都师范大学等高校和科研单位应用,他希望早日实现锁相放大器的国产化替代。

“沙里淘金”

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。

陆俊解释说,锁相放大器对于被噪声干扰的信号,能让无关噪声抵消,却让被测信号增强,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无法看到时,使用锁相放大器恰好能从噪声中提取出有用信息。”

在他看来,锁相放大器的原理好比是“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。”

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,它的发明极大地推动了人类对于微弱信号的探测。

比如通过搭配了锁相放大器的原子力显微镜,人们可以观测并且操纵原子,将锁相放大器用在电子电工的仪表和对人体健康的监测上,也能更早地发现和预防问题。此外,在未来的跨星际探索中,它还可以用于开展引力波探测和空间定位。

早在十几年前,陆俊就开始研究锁相放大器,并开创性地采用虚拟仪器方法进行锁相放大器的原理和应用研究。

近年来,陆俊团队在超宽频锁相、时间分辨锁相、脉冲锁相等实际应用方面又进行了系统的研发,取得了突破性进展。他们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。

此外,部份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。

向“国产化替代”迈进

正因为锁相放大器检测微弱信号能力高,科研和工业等领域对它的需求也越来越高。

据新思界产业研究中心发布的《2022-2026年锁相放大器行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示,2020年我国锁相放大器市场规模超10亿元,而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占领。

自20世纪70年代以来,中科院物理研究所等科研机构与高校开始研究和生产锁相放大器。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。

他介绍说,相比其他的虚拟锁相放大器,采用“测频锁相”算法的虚拟锁相放大器不仅能从更多维度去锁定需要探测的信号,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。

在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”,中科智汇工场技术经理人等方面的帮助下,陆俊团队研发的锁相放大器已经在一些高校和科研单位应用。

在他看来,虽然国内出现了性能基本对标进口的锁相放大器产品,但用户出于惯性依旧会选择市场上成名已久的外国品牌。

对此,陆俊希望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。

随着“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”项目获批立项,陆俊表示,团队作为其中课题的负责方,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。

 
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