第08章光学信号的调制

课程主要内容四大部分 理论基础 光电信号变换与处理 光辐射源光电探测器 光电系统分析设计 光电信号变换与处理 例 激光脉冲测距 主波 回波 距离 D 0 5 c t 光学信号变换 光 电信号变换 光电信号变换与处理 例 激光脉冲测距 测量时间t 电学信号变换 光学信号变换 光电信号变换与处理 光 电信号变换 电学信号变换 光学信号变换举例 场镜 浸没透镜等光学系统会聚目标辐射能量 红外导引头探测系统 光学信号变换举例 光强度调制 光纤通信系统 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 本章重点讲述光信号的强度 频率 相位和偏振等参数的调制 场镜 光锥等光学系统会聚目标辐射能量 第08章光学信号的调制 8 2光信号调制的基本原理 8 3光信号调制的基本方法 8 4调制信号的解调 8 1光信号调制的概述 8 1光信号调制的概述 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 8 1光信号调制的概述 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 2 调制 一次调制和二次调制 8 1光信号调制的概述 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 广义的光学调制 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 8 1光信号调制的概述 2 调制 一次调制和二次调制 将信息直接加载到光载波上的调制 称为一次调制 例2光纤通信系统 将声音 图像信息加载到光波上 8 1光信号调制的概述 2 调制 一次调制和二次调制 人为地按确定的规律变换载波信号 称为二次调制 脉冲调制将信息加载到光波上 8 1光信号调制的概述 2 调制 一次调制和二次调制 人为地按确定的规律变换载波信号 称为二次调制 例3 激光脉冲测距 主波 回波 8 1光信号调制的概述 例4 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 2 调制 一次调制和二次调制 8 1光信号调制的概述 二次调制的意义 声音 图像 加载信息 抑制干扰 改善品质 8 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 人为地按确定的规律变换载波信号 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 第08章光学信号的调制 8 2光信号调制的基本原理 8 3光信号调制的基本方法 8 4调制信号的解调 8 1光信号调制的概述 8 2光信号调制的基本原理 8 2 1模拟调制 8 2 2脉冲调制 8 2 3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 8 2 1模拟调制 振幅调制 AM 频率调制 FM 相位调制 PM 8 2光信号调制的基本原理 又称为连续波调制 8 2光信号调制的基本原理 1 振幅调制 AM 载波 调制波 调幅波 8 2 1模拟调制 1 振幅调制 AM 载波 信息 振幅调制 载波的包络变化 信息 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 1 振幅调制 AM 载波 信息 1 振幅调制 AM 8 2 1模拟调制 讨论 调制指数m对调幅波形的影响 讨论 调制指数m对调幅波形的影响 讨论 调制指数m对调幅波形的影响 载波 信息 振幅 1 振幅调制 AM 8 2 1模拟调制 讨论 调制指数m对调幅波形的影响 动态波形 载波 信息 振幅 1 振幅调制 AM 8 2 1模拟调制 1 振幅调制 AM 8 2 1模拟调制 调幅波频谱 信息 频率 载波 频率 信号变换 频率搬移 调幅波频谱 单一频率调制信号 调幅波频谱 多个频率调制信号 1 振幅调制 AM 8 2 1模拟调制 调幅波带宽B 2F 信号变换 频率搬移 振幅调制应用实例 8 2 1 模拟调制 振幅调制应用实例 8 2 1模拟调制 2 频率调制 FM 载波 信息 频率调制 载波的频率变化 信息 8 2 1模拟调制 2 频率调制 FM 8 2 1模拟调制 频率调制指数 mf 1宽带调频mf 1窄带调频 2 频率调制 FM 8 2 1模拟调制 频率调制指数 mf 1宽带调频mf 1窄带调频 讨论 调制指数m对调频波形的影响 讨论 调制指数m对调频波形的影响 讨论 调制指数m对调频波形的影响 2 频率调制 FM 8 2 1模拟调制 频率调制指数 mf 1宽带调频mf 1窄带调频 讨论 调制指数m对调频波形的影响 2 频率调制 FM 8 2 1模拟调制 频率调制指数 mf 1宽带调频mf 1窄带调频 例 FM立体声广播 载波 94 6MHz 98 5MHz 音频 20kHz 2 频率调制 FM 8 2 1模拟调制 mf 1窄带调频 调频信号波形 调频信号频谱 调频波带宽B 2 f F 2 mf 1 F 2 频率调制 FM 8 2 1模拟调制 例 利用V F 电压 频率 变换器产生调频光信号 U0 载波频率 Ui 调制频率 电压 频率变换器工作示意图 8 2 1模拟调制 调频光信号产生实例 8 2 1模拟调制 8 2 2脉冲调制 8 2光信号调制的基本原理 原始脉冲波形 脉冲幅度调制 脉冲频率调制 脉冲宽度调制 应用 激光测距 目标跟踪与识别等 8 2 3编码调制 抽样 量化 编码 把模拟信号先变成脉冲序列 再变成代表信号信息的二进制编码 然后对载波进行强度调制 模拟量 4 8 脉冲量 数字信号 8 2光信号调制的基本原理 第8章光学信号的调制 8 2光信号调制的基本原理 8 3光信号调制的基本方法 8 4调制信号的解调 8 1光信号调制的概述 8 3光信号调制的基本方法 可调参数 光强 振幅 频率 相位 偏振方向 传播方向 8 3 2光信号相位的调制 8 3 1光信号强度的调制 8 3 3光信号频率的调制 8 3 4光信号偏振的调制 8 3 1光信号强度的调制 可实现强度调制典型的方法 2 机电调制 3 光电子调制 1 辐射源调制 8 3光信号调制的基本方法 1 辐射源调制 1 半导体激光器调制 改变输入电流来实现光强度的调制 2 发光二极管调制 调制频率40GHz 调制频率100MHz 中短距离光电测距 光通信 8 3 1光信号强度的调制 1 辐射源调制 1 半导体激光器调制 调制频率40GHz 8 3 1光信号强度的调制 1 辐射源调制 2 发光二极管调制 调制频率100MHz 8 3 1光信号强度的调制 2 机电调制 1 调制盘调制 2 光栅莫尔条纹调制 8 3 1光信号强度的调制 1 调制盘调制 光电扫描式调幅 旋转调频 调相式 脉冲调宽 调制盘是一种典型的光强度调制器 2 机电调制 应用 红外被动制导系统 红外跟踪系统 激光波束制导 1 调制盘调制 2 机电调制 最基本的作用 恒定的辐通量 周期性辐通量 a用调制盘抑制背景噪声 b用调制盘进行空间滤波 c用调制盘确定目标方位 a 用调制盘抑制背景噪声 有源带通滤波器 1 调制盘调制 b 用调制盘进行空间滤波 目标辐射背景辐射 目标辐射背景辐射 调制盘 利用目标和背景相对于系统的张角不同 调制盘可以抑制背景以突出目标 从而把目标从背景中分离出来 空间滤波 1 调制盘调制 空间滤波分析 初升太阳调制盘 小张角目标调制图 大张角背景调制图 b 用调制盘进行空间滤波 1 调制盘调制 调制盘小结 调制盘是一种光强度调制器 恒定辐射通量 周期性辐射通量 1 静止目标像 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 1 调制盘调制 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 2 机电调制 计量光栅 空间周期P 衍射光栅 空间周期P 光栅莫尔条纹 典型的计量光栅 结构 2 光栅调制 小夹角 主光栅 定光栅 指示光栅 动光栅 光栅莫尔条纹 典型的计量光栅 结构 2 光栅调制 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 2 光栅调制 光栅莫尔条纹 原理 光栅位移信息 光强信号 2 光栅调制 t 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 x NP 2 光栅调制 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 1 m 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 8 3光信号调制的基本方法 可调参数 光强 振幅 频率 相位 偏振方向 传播方向 8 3 2光信号相位的调制 8 3 1光信号强度的调制 8 3 3光信号频率的调制 8 3 4光信号偏振的调制 8 3 1光信号强度的调制 可实现强度调制典型的方法 2 机电调制 3 光电子调制 1 辐射源调制 8 3光信号调制的基本方法 3 光电子调制 1 电光调制 2 声光调制 3 磁光调制 0基本概念 8 3 1光信号强度的调制 0基本概念 复习光学内容 是指某些晶体在电场作用下具有的双折射效应 其双折射效应的大小与电场强度有关 1 电光效应 3 光电子调制 0基本概念 复习光学内容 是指某些晶体在电场作用下具有的双折射效应 其双折射效应的大小与电场强度有关 1 电光效应 泡克耳斯 Pockels 效应 U 施加在电光晶体上的电压U 半波电压 3 光电子调制 3 光电子调制 偏振片 2 偏振元件 偏振片 0基本概念 复习光学内容 若入射的是自然光 起偏器 3 光电子调制 若入射的是线偏光 检偏器 偏振片 0基本概念 复习光学内容 2 偏振元件 偏振片 3 光电子调制 线偏光经过1 4波片 0基本概念 复习光学内容 3 1 4波片 3 光电子调制 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 调制频率 10GHz 理论上可达120GHz 3 光电子调制 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 10GHz 1 电光调制 起偏器 输入光 输出光 检偏器 P1 P2 P1 P2 A 线偏振光振幅 为零 起偏器和检偏器相互正交 无输出光 1 电光调制 o光和e光之间产生附加相位差 有输出光 起偏器 输出光 检偏器 P1 P2 P1 P2 A A0 Ae 不为零 1 电光调制 附加相位差 1 电光调制 可以证明 输出光强与输入光强之比 透过率 输出光强度调制 1 电光调制 输出光强度调制 1 电光调制 透射光强受到了信号电压的调制 输出光强度调制 1 电光调制 输出光强度调制 思考 波片起到了什么作用 工作点 1 电光调制 电光调制器小结 原理 附加相位差 1 电光调制 电光调制器小结 缺点 透光比 光传输比 小于1 调制电压高 半波电压几千伏 半波电压几千伏 1 电光调制 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 1 电光调制 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 3 光电子调制 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 2 声光调制 衍射光栅 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 行波 声光栅栅面在空间移动 驻波 声光栅固定不移动 2 声光调制 1 声光效应 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 2 声光调制 2 声光效应 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 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 2 声光效应 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 2 声光效应 喇曼 奈斯衍射 布拉格衍射 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 2 声光调制 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 2 声光调制 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 8 3光信号调制的基本方法 可调参数 光强 振幅 频率 相位 偏振方向 传播方向 8 3 2光信号相位的调制 8 3 1光信号强度的调制 8 3 3光信号频率的调制 8 3 4光信号偏振的调制 8 3光信号调制的基本方法 8 3 2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 8 3 2光信号相位的调制 1 电光相位调制 可以实现对单束相干光波相位的调制 8 3 2光信号相位的调制 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 2 nL 0 F为被测参量 8 3 2光信号相位的调制 2 光学干涉仪 可以实现两束以上相干光波相位差的调制 迈克尔逊干涉仪 吉曼干涉仪 马赫 泽德干涉仪 光学干涉仪 空气光程 光纤式干涉仪 光纤光程 光纤传感器 8 3光信号调制的基本方法 8 3 3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 8 3 3光信号频率的调制 1 运动参量调频 1 光学多普勒效应和运动差频 2 萨格纳克效应和转动差频 光频变化与线速度 光频变化与角速度 1 运动参量调频 1 光学多普勒效应和运动差频 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 频移 多普勒效应 1 光学多普勒效应和运动差频 频移 特殊地 rs r0 频移数量级 例如 0 4880 m的氩离子激光 8 5o 被测流速 264m s v 77MHz 1 运动参量调频 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 1 运动参量调频 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 地球自转 150 小时 0 6328 m 实验不可能 与足球场比较 不易观察 更难观察 光程差法 L 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 光频差法 1 运动参量调频 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 L 400mm 0 6328 mK 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 光程差法 光频差法 L 400mm 0 6328 mK 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 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 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 激光陀螺 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 8 3光信号调制的基本方法 8 3 3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 8 3 3光信号频率的调制 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 塞曼效应 2 3MHz 几种方法的频移对比 声光效应 100MHz 变换效率80 旋转波片 2 3kHz 变换效率90 旋转光栅 20MHz 变换频率20 2 固定频移 8 3光信号调制的基本方法 8 3 3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 半导体激光器的直接频率调制 i v 1MHz 50 70GHz 电流频率调制系数 0 1GHz mA 1GHz mA 可调频范围 可以证明 LD 8 3光信号调制的基本方法 可调参数 光强 振幅 频率 相位 偏振方向 传播方向 8 3 2光信号相位的调制 8 3 1光信号强度的调制 8 3 3光信号频率的调制 8 3 4光信号偏振的调制 8 3光信号调制的基本方法 8 3 4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 8 3光信号调制的基本方法 8 3 4光信号偏振的调制 8 3光信号调制的基本方法 8 3 4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 磁光调制器 8 3光信号调制的基本方法 可调参数 光强 振幅 频率 相位 偏振方向 传播方向 8 3 2光信号相位的调制 8 3 1光信号强度的调制 8 3 3光信号频率的调制 8 3 4光信号偏振的调制 第8章光学信号的调制 8 2光信号调制的基本原理 8 3光信号调制的基本方法 8 4调制信号的解调 8 1光信号调制的概述 8 3调制信号的解调 实例 光纤通信系统 加载信息 调制 提取信息 解调 8 3调制信号的解调 光学法 电学法 相干光干涉场解调 光电探测器解调 常用