光学信号的调制（888）.ppt

1,光电探测与信号处理,华中科技大学,第五章信息的光学变换,5.2光信号调制的基本原理,5.3光信号调制的基本方法,5.4直接探测和相干探测,5.1光信号调制的概述,3,光学探测系统的基本结构,形成能被光电探测器接收、便于后续电学处理的光学信息。,光学信号变换举例,光强度调制，,光纤通信系统,4,光学信号变换举例,光机扫描扩大视场,光谱滤波消除背景辐射干扰,色散光栅实现光谱的空间分离,光强度调制，,光电系统中光学信号变换有着重要的意义，其变换方法也很多。重点讲述光信号的强度、频率、相位和偏振等参数的调制。,5,6,5.1光信号调制概述,7,光波是信息的载体，通常称为光载波。,1.载波的特征参数？,2.调制：一次调制和二次调制,3.二次调制的意义,技术类,1.光载波的特征参数,人眼和探测器起作用的是光波的电场强度,振幅,频率,相位,特征参数：光强、振幅、频率、相位、偏振方向、传播方向，,光的强度（辐通量）,光强是使用最为广泛的特征参数,8,技术类,2.调制：一次调制和二次调制,光学调制是指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。,特征参数：光强、振幅、频率、相位、偏振方向、传播方向，,一次调制,二次调制,光学调制,9,技术类,例1.卫星遥感农作物产量,地面植物反射太阳光的光谱，生长状况信息,将信息直接加载到光载波上的调制，称为一次调制,10,技术类,例2光纤通信系统,将声音、图像信息加载到光波上,将光载波先人为地调制成随时间或空间变化（按确定的规律变换载波信号），然后再将被测信息调制到光载波上，称为二次调制,11,技术类,例3：利用调制光测量液体浓度,液体浓度（信息）对光强参数的调制一次调制,调制盘（确定时间规律）对光强参数的调制为二次调制,12,技术类,二次调制的意义？,声音、图像加载信息,抑制干扰改善品质,13,技术类,5.1光信号调制的概述小结,光波是信息的载体，通常称为光载波。光学调制是指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。,将信息直接加载到光载波上的调制，称为一次调制,将光载波先人为地调制成随时间或空间变化（按确定的规律变换载波信号），然后再将被测信息调制到光载波上，称为二次调制,光电系统中常用的调制大多是二次调制,光的强度（辐通量）,光强是使用最为广泛的调制参数,14,技术类,15,5.2光信号调制的基本原理,一、模拟调制,二、脉冲调制,三、编码调制,以光信号的强度（辐通量）调制为例讨论，适用于光波的振幅、相位和频率等参数的调制,16,技术类,一、模拟调制,振幅调制(AM),频率调制(FM),相位调制(PM),又称为连续波调制,17,技术类,1.振幅调制(AM),载波,调制波,调幅波,信息,振幅调制：载波的包络变化信息,18,技术类,例.利用调制光测量液体的浓度,载波,信息,思考：如果溶液的浓度逐步加大，调制波形？,19,技术类,载波,信息,振幅,讨论：（1）调制指数m对调幅波形的影响,20,21,载波,信息,振幅,讨论：（2）调幅对频谱的影响,22,技术类,调幅波频谱,信号变换频率搬移,调幅波带宽B=2F,信息“频率”,载波“频率”,23,技术类,调幅波频谱：,单一频率调制信号,24,技术类,调幅波频谱：,多个频率调制信号,25,技术类,振幅调制应用实例,振幅调制应用实例,2.频率调制(FM),载波,信息,频率调制：载波的频率变化信息,28,技术类,-频率调制指数,mf1宽带调频mf1宽带调频mf交流信号，抑制噪声和光源波动的影响；（2）进行空间滤波，抑制背景噪声；（3）提供目标方位空间信息。,51,技术类,2)光栅调制,光栅是具有周期性空间结构或光学性能（如透射率、反射率等）的光学元件。,计量光栅（空间周期P）,衍射光栅（空间周期P）,52,技术类,光栅莫尔条纹,典型的计量光栅,结构：,小夹角,主光栅-定光栅,指示光栅-动光栅,53,技术类,光栅莫尔条纹,典型的计量光栅,结构：,54,技术类,t,光栅莫尔条纹,原理：,光通量明暗交替变化,两光栅移动，莫尔条纹移动,光栅位移信息光强信号,55,技术类,用计量光栅实现光通量幅度调制：,莫尔条纹图案,光栅每移动一个栅距P，条纹就跟着移动一个条纹宽度B。,xNP,2)光栅调制,56,技术类,应用举例：光栅线位移传感器,测量范围：100mm-3000mm分辨率：10、5、1、0.5、0.1m,2)光栅调制,主光栅-定光栅,指示光栅-动光栅,刻线密度-测量精度(10、25、50、100、125线/mm),57,技术类,3.光电子调制,1）电光调制,2）声光调制,3）磁光调制,58,技术类,1）电光调制,电光效应是指某些晶体在电场的作用下，具有双折射效应，其双折射效应的大小与电场强度有关,电光调制器是指利用晶体的电光效应制成的调制器,59,技术类,光强度调制基本思路：,电光调制器,输入光（恒定强度）,输出光（交变强度）,变化的电场,电光调制,原理：,附加相位差,可以证明：输出光强与输入光强之比（透过率）,61,技术类,电光调制器小结,调制频率10GHz，理论上可达120GHz,可以作成几乎没有惯性的光阀,优点：,缺点：,透光比（光传输比）小于1,调制电压高（半波电压几千伏）,应用举例：远距离激光测距光强度调制,62,技术类,2）声光调制,(1)声光效应,(2)声光效应的两种类型,(3)声光调制器,63,技术类,(1)声光效应,当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）发生疏密交替的周期性变化声光栅,声光栅,衍射光栅,64,技术类,当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）发生疏密交替的周期性变化声光栅,行波声光栅栅面在空间移动,驻波声光栅固定不移动,65,技术类,声光栅,衍射光栅,当光波通过声光栅时，衍射光的强度、频率、方向等随超声场变化声光效应。,66,技术类,喇曼奈斯衍射：,布拉格衍射：,条件：超声波频率较低，声光作用长度L较小，光束垂直声波传输方向,条件：超声波频率较高、声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射,(2)两种声光效应,67,技术类,喇曼奈斯衍射：,布拉格衍射：,特点：平面光栅，多级衍射，零级光最强，其他级衍射光对称地分布在零级光两侧，光强依次递减。,特点：体光栅，只出现零级和一级衍射光;超声场足够强，入射能量几乎全部转移到1级（1级）,布拉格声光衍射光能利用率高，因而大部分调制器均采用行波声场的布拉格型声光调制器！,68,技术类,（3）声光调制器,衍射光强度调制,衍射光频率调制,衍射光方向调制,应用：,69,技术类,(3)声光调制器,衍射光强度调制,布拉格型声光调制器,1级（或1级）光输出,Ii,I1,70,技术类,(3)声光调制器,衍射光强度调制,布拉格型声光调制器,输入图像、声音信号,强度调制光信号,2）声光调制,71,技术类,二、光信号相位的调制,1.电光相位调制,2.光学干涉仪,可实现相位调制的常见方法,72,技术类,1.电光相位调制,可以实现对单束相干光波相位的调制,73,技术类,2.光学干涉仪,可以实现两束以上相干光波相位差的调制,相位变化：,=2nL/0,F为被测参量,干涉条件：频率相同、偏振相同、相位差恒定,74,技术类,迈克尔逊干涉仪（Michelson）,吉曼干涉仪Gell-Mann,法布里珀罗Fabry-Perot,光学干涉仪（空气光程）,光纤式干涉仪（光纤光程）,光纤传感器,75,技术类,76,等倾干涉图样示意图,等厚干涉图样示意图,技术类,77,基于Mach-Zehnder结构的电光效应光开关,技术类,三、光信号频率的调制,工程上常采用的频率调制技术大致三种：,运动参量调频,固定频移,直接光频调制,可调参数：光强、振幅、频率、相位、偏振方向、传播方向，,78,技术类,1.运动参量调频,1）光学多普勒效应和运动差频,2）萨格纳克效应（SagnacEffect）和转动差频,光频变化与线速度：,光频变化与角速度：,运动物体能改变入射于其上的光波频率的现象称作光学多普勒效应。,79,技术类,80,光（电磁波）的多普勒效应计算公式分为以下三种：（1）纵向多普勒效应（即波源的速度与波源与接收器的连线共线）：f=f(c+v)/(c-v)(1/2)；其中v为波源与接收器的相对速度。当波源与观察者接近时，v取正，称为“紫移”或“蓝移”；否则v取负，称为“红移”。（2）横向多普勒效应（即波源的速度与波源与接收器的连线垂直）：f=f(1-2)(1/2)其中=v/c（3）普遍多普勒效应（多普勒效应的一般情况）：f=f(1-2)(1/2)/(1-cos)其中=v/c，为接收器与波源的连线到速度方向的夹角。纵向与横向多普勒效应分别为取0或/2时的特殊情况,1）光学多普勒效应和运动差频,技术类,特殊地，rs-r0,频移数量级：,例如，0.4880m的氩离子激光，8.5o，被测流速264m/s，v77MHz,81,技术类,2）萨格纳克效应和转动差频,当封闭的光路相对于惯性空间有一转动角速度时，顺时针光路和逆时针光路之间将形成与转速成正比的光程差L，其数值满足关系,闭合光路的正反向光路光程差随转速改变的现象-萨纳克效应。,L(4A/c),82,技术类,2）萨格纳克效应和转动差频,讨论：用萨格纳克效应测量地球自转速度,L(4A/c),地球自转=150/小时=0.6328m,实验不可能！（与足球场比较）,不易观察,-更难观察！,光程差法：L？,83,技术类,2)萨格纳克效应和转动差频,L？,反射镜组成激光谐振腔-环形激光器,频率与腔长的关系：,L(4A/c),光频差法：,1.运动参量调频,84,技术类,一、运动参量调频,2)萨格纳克效应和转动差频,反射镜组成激光谐振腔-环形激光器,例：国内L=400mm=0.6328mK=2120度/秒地球自转150/小时,对于频率信号，电子设备可以敏感到0.005Hz，可用仪器准确测出。,85,技术类,光程差法：,光频差法：,国内L=400mm=0.6328mK=2120度/秒地球自转150/小时,光学法,电学法,光电系统中，光电信号变换的重要意义！,86,技术类,2)萨格纳克效应和转动差频,环形激光器,光学差频检测装置,激光陀螺,-测角速度,-测角度,国产激光陀螺测量角速度的精度优于0.01o/hr,87,技术类,2)萨格纳克效应和转动差频,环形激光器,光学差频检测装置,激光陀螺,-测角速度,-测角度,国产激光陀螺测量角速度的精度优于0.01o/hr,88,技术类,激光陀螺-在捷联惯导系统应用,02年珠海航展惯导产品,俄罗斯改进空地制导武器,中国激光陀螺捷联惯导系统,89,技术类,2.固定频移,利用光学和光电子学等方法可制成频率偏移器件,光谱在外加磁场下发生分裂。,90,技术类,半导体激光器的直接频率调制,i,v,1MHz5070GHz,电流频率调制系数:,0.1GHz/mA1GHz/mA,可调频范围:,可以证明：,LD,3、直接频率调制,91,四、光信号偏振的调制,典型方法磁光调制,磁光介质在磁场的作用下，可使穿过它的偏振光的振动方向发生发生旋转法拉第磁光效应。,光隔离器,92,技术类,典型方法磁光调制,磁光介质在磁场的作用下，可使穿过它的偏振光的振动方向发生发生旋转法拉第磁光效应。,磁光调制器,93,技术类,摘自国家精品课程光纤通信技术-深圳职业技术学院制作,95,5.4直接探测与相干探测,光电信号变换,光电探测器,光信号,电信号,响应平均光功率,直接探测,响应光的频率,相干探测,96,直接探测和相干探测,直接探测（平均光功率）,相干探测（光的波动参数）,探测方法的改进,光电信号变换,1.直接探测的基本原理,2.直接探测的应用举例,直接探测DrirectDetection，又称为非相干探测,装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）,一、直接探测,98,(1)直接探测基本物理过程：,平方律器件：,光波：,光功率：,人眼和探测器可以响应平均光功率,1.直接探测的基本原理,99,(2)直接探测系统的信噪比,1)信噪比定义：,电信号功率和电噪声功率之比,100,提高系统信噪比的基本途径：,光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜应用光学,电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信号检测,热力学方法，制冷降低探测器噪声,信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标,101,信号光电流、背景光电流和器件暗电流,热噪声,散粒噪声,2)直接探测的信噪比极限：,以光电二极管为例,最理想情况，只有信号光电流引起的散粒噪声,直接探测的量子极限,102,直接探测的量子极限,量子极限的另一种表达是：,直接探测的噪声等效功率,例：为1，f为1Hz，2h，已很接近单个光子的能量h。,E=J=3.1410-19J=1.96eV.,以632.8nm的氦氖激光为例计算光子能量,103,2.直接探测的应用举例,激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉,几何量（长度、位移）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕）光学参量（吸收、反射）电磁量（电流、电场、磁场）,应用于测量：,应用于控制：,104,特点：信息加载辐通量（光强）,几何量（长度、位移）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕）光学参量（吸收、反射）电磁量（电流、电场、磁场）,辐通量（幅度、频率、相位）,例1.光电磁场测量,磁场光通量（幅度）,磁场,振动方向旋转角度,光通量幅度,106,例2.光栅莫尔条纹测位移,t,精度可达0.1m/m,位移光通量（频率）,t,107,光通量的频率测量,光电转速表,光栅位移传感器,测“幅度”与“频率”方法，测量精度的比较：,现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！,109,例3.光电测距,发射光波,接收光波,距离光通量（相位）,110,二、相干探测,直接探测：（非相干探测）,相干探测：（光学外差探测）,装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测光功率（光强）。,装置复杂，光源必须为相干光源，间接探测光波的振幅、频率和相位等参数。,相干探测,1.相干探测的基本原理,2.相干探测的条件,3.相干探测的应用举例,CoherentDetection,又称为光外差探测,(1)相干探测的物理过程,原理框图,信号光s（本地、异地）参考光r,双频光波：,波前匹配条件：,空间条件频率条件偏振条件,采用平方律探测器：（只响应平均功率）高灵敏度、高频响应、量子效率PMT，PIN-PD，APD,光学混频器：,1.相干探测的基本原理,113,1)相干探测的输出信号,信号光,参考光,平方律探测器光混频输出Ihs为：,114,115,频谱分析,信号光,sG107108,外差探测,直接探测,注意：功率为幅值有效值的平方,122,信号光电流、背景光电流和器件暗电流,热噪声,散粒噪声,仅考虑信号光电流引起的散粒噪声：,直接探测的信噪比：,相干探测优点：,信噪比高,123,外差探测：,仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即,外差探测的量子探测极限,教材6162,注意：为有效值,124,相干探测：,直接探测：,仅考虑信号光引起的散粒噪声限制,相干探测信噪比高，最小可探测功率更小,125,2.相干探测的条件,(1)相干探测空间条件,(2)相干探测频率条件,(3)相干探测偏振条件,满足波前匹配条件：,为什么需要角准直？,探测器表面各点相位相同时：,探测器表面各点相位不同时：,输出信号最大值,输出信号减小,(1)相干探测空间条件,信号光和本振光在空间上的角准直（共轴）,127,为什么需要角准直？,探测器接收面上沿x方向各点的相位不同,信号光和本振光的波前在光混频器表面上没有相同的位相关系,导致混频输出电流信号减小,128,例：d=1mm，s0.6328m,失配角：,例：d=1mm，s10.6m,失配角：,定义：中频输出比最大值小10%时的主光线夹角为失配角,对长波探测有利,空间滤波,129,(2)相干探测频率条件,混频器,选通放大器,观察仪器,高频示波器,频谱分析仪,外差接收,v，1041010Hz,信号光和本振光的频率漂移？,采用高单色性和频率稳定度的激光源,两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光,稳频措施：,130,(3)相干探测偏振条件,平方律探测器光混频输出Ihs为：,“代数和”？,信号光与本振光的偏振方向一致,加检偏器获得偏振方向一致,131,3.相干探测的应用举例,相位调制,频率调制,干涉测量,相干通信,精密测长、测距、测速、测振动、测力、测应变、光谱分析，,外层空间特别是卫星之间通信、光纤通中波分复用接收解调，,132,(2)激光多普勒测速,(3)CO2激光外差通信,(1)激光干涉测量,133,1)单频激光测长,信号光,参考光,单频,(1)激光干涉测量,位移l,n=1,134,1)单频激光测长,例：取n=1,测量镜位移时观察到探测器的输出为：,l=?,1.激光干涉测量,局限性：不能判别移动方向,135,1)单频激光测长,光电探测器4,5相位差,参考光,信号光,判别移动方向：“参照物”,1.激光干涉测量,136,1)单频激光测长,判别移动方向：“参照物”,1.激光干涉测量,正反移动方向波形,137,1)单频激光测长,信号光,参考光,缺点：空气的折射率n与当时的环境温度、湿度及气压等因素有关，影响测量精度,2.双频激光测长,1.激光干涉测量,138,2)双频激光测长,双频激光干涉仪,双频激光,检偏器,滤波片,信号光,参考光,1.激光干涉测量,139,2)双频激光测长,双频（调制）激光干涉仪,光学差频信号,1.激光干涉测量,140,2)双频激光测长,光学差频信号:,积分器波数:,位移测量公式：,位移与空气的折射率n无关！,1.激光干涉测量,141,2)双频激光测长,双频激光干涉仪,频差为150MHz，激光稳频精度为108时，测长精度0.1m,1.激光干涉测量,142,3)波前调制相位与二维干涉图分析,表面形状分布,二维光强分布,亮条纹,扩束,1.激光干涉测量,压电陶瓷：伸长（缩短）量l=