陸俊：“沙里淘金”十余載

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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。

隨著科研和工業領域精細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公司控制。

經過十幾年的研究，中科院物理研究所副主任工程師陸俊團隊研發的鎖相放大器目前已經在中科院、首都師范大學等高校和科研單位應用，他希望早日實現鎖相放大器的國產化替代。

“沙里淘金”

鎖相放大器，是一種可以從干擾極大的環境中對特定頻率的電學信號進行提取，還能進一步聚焦和鎖定特定相位上步調一致成分的電子學儀器，從而濾除噪聲，達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，能讓無關噪聲抵消，卻讓被測信號增強，從而實現對復雜世界的精細感知，“跟普通的萬用表、示波器相比，當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”，“首先我們先進行頻率鎖定，也就是洗沙的工作，將目標信號也就是金子確定在一個范圍內；然后再通過另一個維度進一步聚焦，去除多余的噪聲，提純目標信號，相當于通過辨別顏色去除沙塊，挑選金子。”

鎖相放大器經歷了從模擬鎖相放大器到數字鎖相放大器的發展和演進，它的發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測上，也能更早地發現和預防問題。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，并開創性地采用虛擬儀器方法進行鎖相放大器的原理和應用研究。

近年來，陸俊團隊在超寬頻鎖相、時間分辨鎖相、脈沖鎖相等實際應用方面又進行了系統的研發，取得了突破性進展。他們經過理論推導出單周期信號的數字鎖相頻譜在估計頻點附近的局部函數形式并用三點擬合進行測頻，避免經驗拋物線函數的偏差問題，精度達到統計理論限值，而且相比快速傅里葉變換FFT測頻復雜度跟取樣長度N的關系由N*log (N)倍降為N倍依賴，基于此，使用較少的運算量就能達到精確測頻與鎖相的結果。

此外，部份鎖相放大技術已經應用于振動樣品磁強計實現80皮安平方米靈敏的微弱磁矩探測、在強電磁脈沖干擾下恢復脈沖磁致伸縮信號等。

向“國產化替代”邁進

正因為鎖相放大器檢測微弱信號能力高，科研和工業等領域對它的需求也越來越高。

據新思界產業研究中心發布的《2022-2026年鎖相放大器行業深度市場調研及投資策略建議報告》顯示，2020年我國鎖相放大器市場規模超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公司占領。

自20世紀70年代以來，中科院物理研究所等科研機構與高校開始研究和生產鎖相放大器。目前，陸俊團隊已經率先研發出采用“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，還在很多單項關鍵指標上實現了突破，帶寬達到20 GHz，動態范圍140 dB，測頻精度1 ppb，均為國際先進水平。

在由中科院科技創新發展中心與海淀區發起的“CAS 概念驗證計劃”，中科智匯工場技術經理人等方面的幫助下，陸俊團隊研發的鎖相放大器已經在一些高校和科研單位應用。

在他看來，雖然國內出現了性能基本對標進口的鎖相放大器產品，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入市場，增強用戶深入應用，提高用戶信賴度，塑造自有品牌。