本文介绍Moku:Pro与heliSens S4高速锁相相机的联用案例：针对1 kHz、占空比低于5%的脉冲激光同步信号，使用Moku:Pro锁定激光时基并输出4 kHz参考，经相机内部4分频后用于二维锁相成像。
低占空比脉冲激光如何实现稳定锁相成像？Moku:Pro + 高速锁相相机实验应用
高速锁相相机将信号检测与处理集成到面阵传感器中，在像素级执行大规模并行双相解调。根据产品资料，每个像素可实时获得光信号的幅度和相位信息，并支持可达 250 kHz 的信号解调能力。heliSens S4 的核心优势在于：它不是单纯提高拍摄速度，而是将相敏检测直接做到二维成像面上。
Helisecs公司提供有C4.0.S40 / C4.0.S40U / C4.0.S41U不同型号，不同性能的锁相相机。
项目 | C4.0.S40 / C4.0.S40U / C4.0.S41U |
|---|---|
传感器 | heliSens™ S4 高速锁相像素传感器 |
分辨率 | 542 × 512 像素（像素内锁相放大器） |
像素尺寸 | 24 μm × 24 μm |
满阱容量 | S40：500 ke⁻；S40U/S41U：125 ke⁻ |
填充因子 | S40：55%；S40U/S41U：55% |
并行解调 | 277,504 个双相解调通道 |
解调频率 | 305 Hz–134 kHz（未来固件可达 250 kHz） |
滤波时间常数 | 0.2 ms–100 ms |
频率分辨率 | 0.013 × 解调频率（内部参考） |
相位分辨率 | 0.1° |
信号动态范围 | 10 bit × 2（X、Y） |
共模背景抑制 | 等效 21 bit |
输出数据 | 幅度、相位、同相 X、正交 Y、灰度 |
信号采样率上限 | 1 MSa/s/通道；总计 277 GSa/s |
输出数据率上限 | 5.6 kSa/s/通道；总计 1.55 GSa/s |
内存 | 900 帧时间分辨输出；总计 250 MSa |
编程接口 | GenICam；Python、Matlab、LabVIEW、C++、.NET |
应用软件 | 配置、图像采集、可视化和存储；Gigabit Ethernet |
电气接口 | 24 V DC，30 W；可配置参考/触发输出 |
安装 | 可拆卸标准 C 型接口；正面、左侧、右侧和顶部 M6 安装孔 |
尺寸/重量 | 46 × 65 × 180 mm（不含 C 型转接）；850 g |
工作温度 | 0–45 °C（安装在散热器上或使用主动散热模块） |
像素级并行检测：在面阵像素上同步获取信号的空间分布信息。幅度与相位同步提取：为调制光学、干涉和相位测量提供数据基础。高背景抑制潜力：提取与参考频率相关的信号分量，降低非同步背景影响。适合空间分布式测量：弥补传统单通道锁相放大器难以同时覆盖大面积空间信息的局限。
已有科研工作报道了锁相相机在亚毫秒波前测量中的应用：像素执行模拟锁相检测，只输出与交流有用信号相关的信息，从而降低背景占用的数据位宽和传输负担。
高速锁相相机能够在面阵像素上进行并行相敏检测，把传统单点锁相放大的思路扩展到二维空间。但要让这种检测能力真正发挥作用，参考信号必须与实际被测光信号保持稳定的频率关系。在实验中的难点，往往正出现在这一环节。
在本次实验中使用的脉冲激光器重复周期为1ms，对应重复频率1kHz，占空比低于5%。在本实验的接口和时序条件下，激光器原始同步波形不适合直接作为高速锁相相机的解调参考。若仅使用另一台独立信号源手动设定相同频率，标称频率相同并不等于两者长期同步；微小频差可能造成参考关系逐渐漂移。因此，实验需要从激光器本身“取时基”，再生成相机能够稳定利用的解调参考。
本次实验中，激光器以1kHz重复频率工作，但脉冲占空比低于5%。需要强调的是，低占空比本身并不意味着锁相探测在所有系统中都无法实现；本次实验中的实际问题是，在相机参考输入条件和激光器输出时序下，原始同步波形无法直接作为稳定、合适的解调参考。
锁相检测关注的是与参考频率和相位相关的信号分量。因此，一个频率标称为1kHz的独立参考并不足够。实验需要让参考真正来源于激光器的实际工作节拍，使相机解调时基跟随激光器，而不是依靠两台设备各自的独立时钟。实验真正需要的信号是能够追随激光信号的频率、相位实时变化的信号用于解调，而且heliSens S4需要接收与激光重复频率呈4倍关系的参考信号，并在相机内部进行4分频后用于锁相成像，因此，需要跟踪低占空比脉冲激光的重复频率，并据此生成四倍频解调参考信号。
在本次实验配置中，heliSens S4采用与激光器重复频率具有4倍关系的参考信号，并在相机内部进行4分频，随后获得与激光器1 kHz重复频率对应的解调参考。因此，本次实验需要根据相机的参考输入方式，由激光器实际同步信号生成稳定的4 kHz参考。
Moku:Pro是Liquid Instruments推出的可重构测试测量平台。本次实验使用其多仪器模式，组合数字滤波器、相位表、波形发生器和频谱分析仪等功能，辅助锁相相机获取与激光器同步的解调参考信号。
Moku:Pro 是一套基于 FPGA 的可重构测试测量平台，支持多种仪器功能组合运行。在本案例中，Moku:Pro 负责参考信号获取、锁定关系建立及参考输出，将激光器原始同步信息转换为高速锁相相机可以稳定使用的参考输入。
参考信号重构：从激光器真实同步信号中获取频率基准，而不是仅凭手动设定的标称频率。多仪器协同：可在同一平台内组合锁相放大器、波形发生器、滤波器和示波器等功能。FPGA 实时处理：适用于需要低延迟信号处理、反馈和同步控制的实验系统。频率关系灵活：可围绕基频、倍频或分频需求构建适配后端设备的参考信号链。
在本次实验中，激光器的一路相关同步信号送入 Moku:Pro。Moku:Pro 以该真实激光信号作为频率基准建立锁定关系，并输出 4 kHz 参考信号。4 kHz 不是独立“猜出”的频率，而是与激光器 1 kHz 重复频率保持固定的 4 倍关系，因此参考的长期频率关系来源于激光器本身。
图 2 Moku:Pro Multi-Instrument Mode 现场配置界面
Moku:Pro 随后向高速锁相相机提供 4 kHz 参考。进入相机后，该参考信号在相机内部进行 4 分频，得到 1 kHz 实际解调频率，与激光器 1 ms 周期所对应的 1 kHz 重复频率一致。
环节 | 功能 |
|---|---|
激光器 | 1 ms 周期 / 1 kHz 实际重复频率 |
Moku:Pro | 锁定外部同步信号 → 输出 4 kHz 参考 |
heliSens S4 | 内部 ÷4 → 1 kHz 解调 → 二维锁相成像 |
从系统角度看，这一步相当于把“激光器原始但不适合直接使用的同步信息”转换成“锁相相机可以稳定利用的参考输入”。Moku:Pro 负责参考频率获取、锁定与输出，高速锁相相机负责在整个像素阵列上执行二维相敏解调，两者解决的是同一条测量链路中不同层级的问题。
完成上述配置后，高速锁相相机能够基于与激光重复频率对应的解调参考开展锁相成像，并获得实际锁相结果。该结果验证了“激光器真实时基—Moku:Pro 参考重构—锁相相机二维解调”的联合方案在现场条件下可以实现对解调参考的跟踪与锁定。
高速锁相相机现场锁相结果
产品 | 主要任务 | 突出价值 |
|---|---|---|
heliSens S4 | 二维检测端 | 像素级并行解调，获取幅度、相位与空间分布信息 |
Moku:Pro | 参考与信号链端 | 从真实激光同步信号建立锁定关系，灵活完成参考重构与输出 |
这不是“用 Moku:Pro 替代锁相相机”或“用锁相相机替代锁相放大器”的问题，而是通过两者分工，把参考信号生成与二维相敏成像连接成一条完整测量链路。
在高速、动态和弱信号测量场景中，传统依赖逐点采样或低速数据采集的测试方式，往往难以同时兼顾测量速度、时间同步、信号灵敏度以及数据完整性。尤其是在需要观察周期性信号、瞬态变化以及不同空间位置响应差异的实验中，如何将“高速采集”与“锁相检测”有效结合，是提升测量效率和实验数据质量的重要环节。
Moku与heliSens S4高速锁相像素图像传感器的结合，为这一类问题提供了一种更加灵活的解决思路。Moku可在同一硬件平台上完成信号产生、采集、数字信号处理及锁相检测等功能，将实验中的参考信号与被测信号建立稳定的时间关联；heliSens S4则利用像素级高速锁相检测能力，将传统意义上需要逐点完成的锁相测量拓展到面阵空间，使研究人员能够在获得空间信息的同时，对目标信号进行高速、同步的调制解调与幅度、相位信息提取。
这种组合的价值并不仅限于单次实验。对于需要高速成像、周期信号检测、弱信号提取、空间分布测量以及动态过程分析的科研场景，将高速锁相检测能力与高性能数字信号处理平台结合，可以减少复杂外围仪器的数量，简化实验系统的搭建，并提高不同实验模块之间的同步能力。
同时，这种方案也具有较好的扩展性。通过改变调制频率、参考信号以及数字信号处理方式，可以针对不同实验对象建立相应的检测方案；结合不同光学系统和实验平台，还可以进一步应用于光学成像、显微测量、光谱分析、荧光检测、散斑及动态过程观测等需要高时间分辨率和高信噪比检测的场景。
对于科研用户而言，这意味着测量系统不再局限于“获取一张图像”或“记录一个时间序列”，而是能够进一步获得与调制参考信号同步的空间幅度和相位信息，从而为后续的数据分析和物理机制研究提供更加丰富的实验数据。
Moku:Delta与Moku:Pro的规格有所不同。Moku:Delta标称带宽为1 mHz–2 GHz、提供8路输入和8路输出，内置时钟标称稳定度为1 ppb，并支持外部时钟输入；多仪器模式下可同时配置8个仪器功能。噪声、带宽及通道能力应结合具体型号和数据表评估。如Moku:Pro的规格无法满足实验需求，可进一步评估Moku:Delta。
总体而言，Moku提供了灵活、高速的数字信号处理与锁相检测平台，heliSens S4则进一步将锁相检测能力扩展至高速像素阵列。二者结合能够将“高速采集—同步检测—锁相解调—空间成像”串联起来，为高速光学测量和动态成像实验提供更加完整的解决方案。随着高速锁相成像技术在科研实验中的进一步应用，这类集成化测量方案也有望在更多需要高时间分辨率、高信噪比和空间信息同步获取的实验中发挥作用
锁相成像真正困难的地方，往往不只在于“能否看见弱信号”，还在于如何让光源、参考与探测端共享可靠的时间基准。本次实验中，高速锁相相机提供了像素级二维相敏检测能力，Moku:Pro 则解决了低占空比脉冲激光条件下参考信号难以直接适配的问题。
Moku与锁相相机联合后，将1kHz激光实际时基稳定地传递到锁相相机解调链路，为复杂同步条件下的二维锁相测量提供了一种灵活方案。
如果您的实验同样面临弱调制信号、强背景、非标准同步波形或多仪器同步等问题，欢迎联系上海昊量光电。我们可结合具体光源、调制方式、参考接口和成像目标，协助完成高速锁相相机与Moku的选型、测试与系统联调。
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