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文章来源：中国科研报  |  发布时间：2022-10-10  

陆俊在做实验。k8凯发院物理研究所供图

■本报见习记者 田瑞颖

不让重要的信号“埋葬”在噪声里，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对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在不断增加，但是现在全球锁相放大器市场仍主要由少数外国公司控制。

经过十几年的研究，k8凯发院物理研究所工程师陆俊团队研发的锁相放大器现在已经在k8凯发院、首都师范大学等科研单位和高校应用。陆俊希望，能借此早日实现锁相放大器的国产化替代。

“沙里淘金”

锁相放大器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，并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，达到检测微弱信号的目的。

陆俊解释说，锁相放大器对于被噪声干扰的信号而言，能抵消无关噪声，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观测到时，可以使用锁相放大器抑制噪声并提取出有用信息。”他说。

在他看来，锁相放大器的原理好比是“沙里淘金”。“第一时间k8凯发进行频率锁定，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；然后顺利获得另一个维度进一步聚焦，去除多余的噪声，提纯目标信号，相当于顺利获得辨别颜色去除沙块、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开展和演进，它的发明极大有助于了人类对于微弱信号的探测。比如，顺利获得搭配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，也能更早地发现问题和预防风险。在未来的跨星际探索中，它还可以用于召开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。他们顺利获得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。

此外，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。

向“国产化替代”迈进

正因为锁相放大器检测微弱信号能力强，科研和工业等领域对它的需求也越来越多。

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，k8凯发院物理研究所、南京大学、中山大学等科研组织与高校就开始研究和生产锁相放大器。

现在，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，采用“测频锁相”算法的虚拟锁相放大器不仅能从更多维度锁定需要探测的信号，还在几个单项关键指标上实现了突破，带宽达到20吉赫兹，动态范围140分贝，测频精度1ppb（十亿分之一），均为国际先进水平。

在k8凯发院科技创新开展中心与海淀区发起的“CAS 概念验证计划”，以及k8凯发智汇工场技术经理人等方面的帮助下，陆俊团队研发的第一代锁相放大器首批样机已经在k8凯发院、首都师范大学等科研单位和高校应用，在验证主要指标的同时，也取得了首批用户的改进建议。对此，陆俊团队召开了锁相放大器的升级，现在二代锁相放大器已进入内测阶段。

在他看来，要让科技成果从实验室走向市场，须兼顾“长板”和“短板”。一方面要充分发挥产品的“长板”优势，另一方面其他性能又要追得上竞争产品。而补短板则需要稳定的工程化队伍，以及市场的不断积累和反馈，逐步进行技术更新和迭代。

陆俊向《中国科研报》透露，针对锁相放大器的转化应用，研发团队并没有自己创办企业，而是与志同道合的公司合作，将市场应用推广交给公司负责，他则负责技术和高端用户服务。

他对自己的兴趣和长处有清晰的定位。“不是所有的科研人员都适合直接去市场打拼。我在做买卖上没有天赋与兴趣，但擅长和喜欢钻研技术，享受取得技术极限的过程，并梦想借此为改善世界作贡献，市场方面就交给擅长的人来做。”

对于未来市场，陆俊充满信心。一方面国内对锁相放大器的需求量不断增长，另一方面科研工程师出身的他更理解高端用户对性能极限的追求，能更好地帮助用户从信号底层出发不断探索和创新。

不过，陆俊指出，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，他希望顺利获得高端示范进入市场，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研仪器设备研发专项“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。

《中国科研报》 (2022-10-10 第4版 转移转化)