陸俊在做實驗 中科院物理研究所供圖

不讓重要的信號“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)測量微弱信號的需求不斷增多，鎖相放大器的需求量也不斷增長，但是全球鎖相放大器市場主要由外國少數(shù)公司控制。

(相關(guān)資料圖)

經(jīng)過十幾年的研究，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，他希望早日實現(xiàn)鎖相放大器的國產(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)境中對特定頻率的電學(xué)信號進(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)到微弱信號檢測的目的。

陸俊解釋說，鎖相放大器對于被噪聲干擾的信號，能讓無關(guān)噪聲抵消，卻讓被測信號增強(qiáng)，從而實現(xiàn)對復(fù)雜世界的精細(xì)感知，“跟普通的萬用表、示波器相比，當(dāng)信號特別微弱或被噪聲淹沒無法看到時，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，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)信號也就是金子確定在一個范圍內(nèi)；然后再通過另一個維度進(jìn)一步聚焦，去除多余的噪聲，提純目標(biāo)信號，相當(dāng)于通過辨別顏色去除沙塊，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)明極大地推動了人類對于微弱信號的探測。

比如通過搭配了鎖相放大器的原子力顯微鏡，人們可以觀測并且操縱原子，將鎖相放大器用在電子電工的儀表和對人體健康的監(jiān)測上，也能更早地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防問題。此外，在未來的跨星際探索中，它還可以用于開展引力波探測和空間定位。

早在十幾年前，陸俊就開始研究鎖相放大器，并開創(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，陸俊團(tuán)隊在超寬頻鎖相、時間分辨鎖相、脈沖鎖相等實際應(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)過理論推導(dǎo)出單周期信號的數(shù)字鎖相頻譜在估計頻點附近的局部函數(shù)形式并用三點擬合進(jìn)行測頻，避免經(jīng)驗拋物線函數(shù)的偏差問題，精度達(dá)到統(tǒng)計理論限值，而且相比快速傅里葉變換FFT測頻復(fù)雜度跟取樣長度N的關(guān)系由N*log (N)倍降為N倍依賴，基于此，使用較少的運算量就能達(dá)到精確測頻與鎖相的結(jié)果。

此外，部份鎖相放大技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于振動樣品磁強(qiáng)計實現(xiàn)80皮安平方米靈敏的微弱磁矩探測、在強(qiáng)電磁脈沖干擾下恢復(fù)脈沖磁致伸縮信號等。

向“國產(chǎn)化替代”邁進(jìn)

正因為鎖相放大器檢測微弱信號能力高，科研和工業(yè)等領(lǐng)域?qū)λ男枨笠苍絹碓礁摺?/p>

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)深度市場調(diào)研及投資策略建議報告》顯示，2020年我國鎖相放大器市場規(guī)模超10億元，而這一市場主要被美國斯坦福儀器、瑞士蘇黎世儀器等國外少數(shù)公司占領(lǐng)。

自20世紀(jì)70年代以來，中科院物理研究所等科研機(jī)構(gòu)與高校開始研究和生產(chǎn)鎖相放大器。目前，陸俊團(tuán)隊已經(jīng)率先研發(fā)出采用“測頻鎖相”算法的虛擬鎖相放大器。

他介紹說，相比其他的虛擬鎖相放大器，采用“測頻鎖相”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的信號，還在很多單項關(guān)鍵指標(biāo)上實現(xiàn)了突破，帶寬達(dá)到20 GHz，動態(tài)范圍140 dB，測頻精度1 ppb，均為國際先進(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 概念驗證計劃”，中科智匯工場技術(shù)經(jīng)理人等方面的幫助下，陸俊團(tuán)隊研發(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，雖然國內(nèi)出現(xiàn)了性能基本對標(biāo)進(jìn)口的鎖相放大器產(chǎn)品，但用戶出于慣性依舊會選擇市場上成名已久的外國品牌。

對此，陸俊希望通過高端示范進(jìn)入市場，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”時期基礎(chǔ)科研條件與重大科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)專項“精密大帶寬鎖相放大器”項目獲批立項，陸俊表示，團(tuán)隊作為其中課題的負(fù)責(zé)方，將利用自身的技術(shù)優(yōu)勢，持續(xù)迭代并推廣應(yīng)用，以早日實現(xiàn)鎖相放大器的國產(chǎn)化替代。

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