光学信号的调制

1、 华中科技大学华中科技大学 第五章第五章 信息的光学变换信息的光学变换 5.2 5.2 光信号调制的基本原理光信号调制的基本原理 5.3 5.3 光信号调制的基本方法光信号调制的基本方法 5.4 5.4 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 5.1 5.1 光信号调制的概述光信号调制的概述 光 电 器 件 变 换 电 路 光电变换 电 路 处 理 探测 传输 控制 计算 显示 存储 电路处理 光 源 光 学 系 统 变 换 对 象 光 学 变 换 光学变换 形成能被光电探测器形成能被光电探测器 接收、便于后续电学接收、便于后续电学 处理的光学信息。处理的光学信息。 光学信号变换光学信号变换 举

2、例举例 光强度光强度调制，调制， 光纤通信系统光纤通信系统 光学信号变换光学信号变换 举例举例 光机光机扫描扫描扩大视场扩大视场 光谱光谱滤波滤波消除背景辐射干扰消除背景辐射干扰 色散色散光栅实现光谱的空间分离光栅实现光谱的空间分离 光强度光强度调制，调制， 光电系统中光学信号变换有着重要的意义，其光电系统中光学信号变换有着重要的意义，其变换方法变换方法 也很多。重点讲述光信号的强度、频率、相位和偏振等也很多。重点讲述光信号的强度、频率、相位和偏振等 参数的参数的调制调制。 光波是信息的载体，通常称为光波是信息的载体，通常称为光载波光载波。 1. 1. 载波的特征参数？载波的特征参数？ 2.

3、2. 调制：一次调制和二次调制调制：一次调制和二次调制 3. 3. 二次调制的意义二次调制的意义 1.1.光载波的光载波的特征参数特征参数 人眼和探测器起作用的是光波的电场强度人眼和探测器起作用的是光波的电场强度 00 c o s(2)EEv t 振幅振幅频率频率相位相位 特征参数：特征参数： 光强、光强、振幅、频率、相位、振幅、频率、相位、 偏振方向偏振方向、传播方传播方 向向， 2 0 IE 光的强度光的强度 （辐通量辐通量） 光强光强是使用最为广是使用最为广 泛的特征参数泛的特征参数 2. 2. 调制：一次调制和二次调制调制：一次调制和二次调制 光学调制光学调制是指改变光载波的一个或者几

4、个特征参数是指改变光载波的一个或者几个特征参数 的过程。的过程。 特征参数：特征参数： 光强、光强、振幅、频率、相位、振幅、频率、相位、 偏振方向偏振方向、传播方传播方 向向， 一次调制一次调制 二次调制二次调制 光学调制光学调制 例例1.1.卫星遥感农作物产量卫星遥感农作物产量 地面植物反射太阳光的光谱，生长状况信息地面植物反射太阳光的光谱，生长状况信息 将信息将信息直接直接加载到光载波上的调制，称为加载到光载波上的调制，称为一次调制一次调制 例例2 2 光纤通信系统光纤通信系统 将声音、图像信息加载到光波上将声音、图像信息加载到光波上 将光载波先将光载波先人为地调制成随时间或空间变化（人为

5、地调制成随时间或空间变化（按确按确 定的规律变换载波信号）定的规律变换载波信号），然后再将被测信息调制然后再将被测信息调制 到光载波上，称为到光载波上，称为二次调制二次调制 例例3 3：利用调制光测量液体浓度：利用调制光测量液体浓度 液体浓度（信息）对光强参数的调制液体浓度（信息）对光强参数的调制 一次调制一次调制 调制盘（确定时间规律）对光强参数的调制为调制盘（确定时间规律）对光强参数的调制为 二次调制二次调制 二次调制二次调制的意义？的意义？ 声音、图像声音、图像 加载信息加载信息 抑制干扰抑制干扰 改善品质改善品质 5.1 5.1 光信号调制的概述光信号调制的概述 小结小结 光波是信息的

6、载体，通常称为光波是信息的载体，通常称为光载波光载波。光学调制光学调制是是 指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。 将信息将信息直接直接加载到光载波上的调制，称为加载到光载波上的调制，称为一次调制一次调制 将光载波先将光载波先人为地调制成随时间或空间变化（人为地调制成随时间或空间变化（按确按确 定的规律变换载波信号）定的规律变换载波信号），然后再将被测信息调制然后再将被测信息调制 到光载波上，称为到光载波上，称为二次调制二次调制 光电系统中常用的调制光电系统中常用的调制大多是二次调制大多是二次调制 2 0 IE 光的强度光的强度 （辐通量）（辐通量

7、） 光强光强是使用最为广是使用最为广 泛的调制参数泛的调制参数 一、一、 模拟调制模拟调制 二、二、 脉冲调制脉冲调制 三、三、 编码调制编码调制 以光信号的以光信号的强度（强度（辐通量辐通量）调制）调制为例讨论，适用为例讨论，适用 于光波的于光波的振幅振幅、相位相位和和频率频率等参数的调制等参数的调制 一、模拟调制一、模拟调制 0m ( )sin()tt 0m ( ) ( )sin ( ) ( )tV tV t tV t 振幅调制振幅调制(AM) 频率调制频率调制(FM) 相位调制相位调制(PM) 又称为又称为连续波调制连续波调制 1. 振幅调制振幅调制(AM) 载 波 调制波 调幅波 信息

8、信息 振幅调制：振幅调制：载波的包络变化载波的包络变化信息信息 例例. .利用调制光测量液体的浓度利用调制光测量液体的浓度 载波载波 信息信息 思考：思考：如果溶液的如果溶液的 浓度逐步加大，调制浓度逐步加大，调制 波形？波形？ 0m ( )1( )sin()tmV tt ( )sin()V tt 0m ( )1sin()sin()tmtt 载波载波 信息信息 振幅振幅 讨论讨论：（：（1）调制指数调制指数m 对调幅波形的影响对调幅波形的影响 0m ( )1( )sin()tmV tt ( )sin()V tt 0m ( )1sin()sin()tmtt 0m m ( )sin() 1 cos

9、()cos() 2 tt mtt 载波载波 信息信息 振幅振幅 讨论讨论：（：（2）调幅对频谱的影响调幅对频谱的影响 0m m ( )sin() 1 cos()cos() 2 tt mtt 调幅波频谱调幅波频谱 ( )sin()V tt 信号变换信号变换频率搬移频率搬移 调幅波带宽调幅波带宽 B=2F 信息信息“频率频率” 载波载波“频率频率” 调幅波频谱：调幅波频谱： 单一频率调制信号单一频率调制信号 调幅波频谱：调幅波频谱： 多个频率调制信号多个频率调制信号 振幅调制应用实例振幅调制应用实例 振幅调制应用实例振幅调制应用实例 2.频率调制频率调制(FM) 载波载波 信息信息 频率调制：频率

10、调制：载波的频率变化载波的频率变化信息信息 0 ( )( ) V tV t 0m0 0 ( )sin( ) t ttV t dt 00 ( )sinsin() mf ttmt f f m F -频率调制指数频率调制指数 mf 1 宽带调频 宽带调频 mf 1 宽带调频宽带调频 mf 1窄带窄带调频调频 讨论：讨论： 调制指数调制指数m 对调频波形的影响对调频波形的影响 例：例：FM立体声广播立体声广播 载波载波: 91.8MHz 音频音频: 周期性辐射通量周期性辐射通量 （1） 静止目标像静止目标像交流信号，抑制交流信号，抑制噪声噪声 和光源波动和光源波动的影响；的影响； （2） 进行进行空间

11、滤波空间滤波，抑制背景噪声；，抑制背景噪声； （3） 提供目标提供目标方位空间信息方位空间信息。 2)2)光栅调制光栅调制 光栅光栅是具有是具有周期性周期性空间结构或光学性能（如透射率、空间结构或光学性能（如透射率、 反射率等）的光学元件。反射率等）的光学元件。 计量光栅计量光栅 （空间周期（空间周期P ） 衍射光栅衍射光栅 （空间周期（空间周期P ） 光栅莫尔条纹光栅莫尔条纹 典型的计量光栅典型的计量光栅 结构：结构： 小夹角小夹角 主光栅主光栅-定光栅定光栅 指示光栅指示光栅-动光栅动光栅 光栅莫尔条纹光栅莫尔条纹 典型的计量光栅典型的计量光栅 结构：结构： t 光栅莫尔条纹光栅莫尔条纹

12、原理：原理： 光通量明暗交替变化光通量明暗交替变化 两光栅移动，莫尔条纹移动两光栅移动，莫尔条纹移动 光栅位移信息光强信号光栅位移信息光强信号 m cos(2) x P 用用计量光栅计量光栅实现光通量实现光通量幅度幅度调制：调制： 莫尔条纹图案莫尔条纹图案 光栅每移动一个光栅每移动一个栅栅 距距P，条纹就跟着，条纹就跟着 移动一个条纹宽度移动一个条纹宽度 B。 m cos(2) x P xNP 2)2)光栅调制光栅调制 应用举例：应用举例：光栅光栅线位移传感器线位移传感器 测量范围：测量范围： 100mm-3000mm 分分 辨辨 率：率： 10、 5、 1、 0.5、 0.1 m 2)2)光

13、栅调制光栅调制 主光栅主光栅-定光栅定光栅 指示光栅指示光栅-动光栅动光栅 刻线密度刻线密度 - 测量精度测量精度 ( 10、 25、50、100、125线线/mm ) 3. 3. 光电子调制光电子调制 1 1）电光调制）电光调制 2 2）声光调制）声光调制 3 3）磁光调制）磁光调制 1 1） 电光调制电光调制 电光效应电光效应 是指某些晶体在电场的作用下，具有是指某些晶体在电场的作用下，具有双双 折射效应折射效应，其双折射效应的大小与电场强度有关，其双折射效应的大小与电场强度有关 电光调制器电光调制器 是指利用晶体的电光效应制成的调制器是指利用晶体的电光效应制成的调制器 光强度调制光强度调

14、制基本思路：基本思路： 电光调制器电光调制器 输入光输入光 （恒定强度）（恒定强度） 输出光输出光 （交变强度）（交变强度） 变化的电场变化的电场 电光调制电光调制 原理：原理： 3 63 2 o U nU U 附加相位差附加相位差 可以证明：可以证明：输出光强输出光强与与输入光强输入光强之比之比（透过率）（透过率） ) 2 (sin )( )( 2 inI outI 电光调制器电光调制器小结小结 调制频率调制频率10GHz10GHz，理论上可达，理论上可达120GHz 120GHz 可以作成几乎没有惯性的可以作成几乎没有惯性的光阀光阀 优点：优点： 缺点：缺点： 透光比（光传输比）小于透光比

15、（光传输比）小于1 1 调制电压高（半波电压几千伏）调制电压高（半波电压几千伏） 应用举例：应用举例： 远距离激光测距远距离激光测距 光强度调制光强度调制 2 2） 声光调制声光调制 (1) (1) 声光效应声光效应 (2) (2) 声光效应的两种类型声光效应的两种类型 (3) (3) 声光调制器声光调制器 (1) 声光效应声光效应 当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折 射率）发生疏密交替的射率）发生疏密交替的周期性变化周期性变化声光栅声光栅 声光栅声光栅 衍射光栅衍射光栅 当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折当声波在介质中传播时，会引起介质密度

16、（折 射率）发生疏密交替的射率）发生疏密交替的周期性变化周期性变化声光栅声光栅 行波行波声光栅栅声光栅栅 面在空间面在空间移动移动 驻波驻波声光栅固声光栅固 定定不移动不移动 声光栅声光栅 衍射光栅衍射光栅 当光波通过当光波通过声光栅声光栅时，衍射光的强度、频率、方向时，衍射光的强度、频率、方向 等随超声场变化等随超声场变化声光效应。声光效应。 喇曼奈斯衍射：喇曼奈斯衍射： 布拉格衍射：布拉格衍射： 条件：条件：超声波频率较超声波频率较低低， 声光作用长度声光作用长度L较小较小，光束，光束 垂直垂直声波传输方向声波传输方向 条件：条件：超声波频率较超声波频率较高高、声光、声光 作用长度作用长度

17、L较大较大，光束与声波波，光束与声波波 面间以一定的角度面间以一定的角度斜入射斜入射 (2) 两种声光效应两种声光效应 喇曼奈斯衍射：喇曼奈斯衍射： 布拉格衍射：布拉格衍射： 特点：特点：平面光栅平面光栅，多级衍，多级衍 射，射，零级光最强零级光最强，其他级衍，其他级衍 射光对称地分布在零级光两射光对称地分布在零级光两 侧，光强依次递减。侧，光强依次递减。 特点：特点：体光栅体光栅，只出现，只出现 零级和一级衍射光零级和一级衍射光;超声场超声场 足够强，足够强，入射能量几乎全入射能量几乎全 部转移到部转移到1级级（1级）级） 布拉格声光衍射布拉格声光衍射光能利用率高，因而大部分调制器均光能利用

18、率高，因而大部分调制器均 采用行波声场的采用行波声场的布拉格型声光调制器布拉格型声光调制器！ （3 3）声光调制器）声光调制器 衍射光衍射光强度调制强度调制 衍射光频率调制衍射光频率调制 衍射光方向调制衍射光方向调制 应用：应用： (3)(3)声光调制器声光调制器 衍射光衍射光强度调制强度调制 布拉格型声光调制器布拉格型声光调制器 21 s i sin ( ) P 22 I I ， 1 0.5sin m i I t I 1ii 0.5sin m IIIt 1 1级（或级（或1 1级）光输出级）光输出 Ii I1 (3)(3)声光调制器声光调制器衍射光衍射光强度调制强度调制 布拉格型声光调制器布

19、拉格型声光调制器 输入图像、声音信号输入图像、声音信号 强度调制光信号强度调制光信号 2 2） 声光调制声光调制 二、二、 光信号相位的调制光信号相位的调制 1. 电光相位调制电光相位调制 2. 光学干涉仪光学干涉仪 可实现相位调制的常见方法可实现相位调制的常见方法 1. 电光相位调制电光相位调制 x x nL c xz nDE 可以实现对可以实现对单束单束相干光波相位的调制相干光波相位的调制 2. 光学干涉仪光学干涉仪 可以实现可以实现两束两束以上相干光波相位差的调制以上相干光波相位差的调制 相位变化：相位变化： =2 nL/0 0 12 () ddnn dL L dFdFL dF F为被测

20、参量为被测参量 干涉条件：频率相同、偏振相同、相位差恒定干涉条件：频率相同、偏振相同、相位差恒定 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 （MichelsonMichelson） 吉曼干涉仪吉曼干涉仪 Gell-Mann Gell-Mann 法布里珀罗法布里珀罗 Fabry-PerotFabry-Perot 光学干涉仪光学干涉仪 （空气空气光程）光程） 光纤式干涉仪光纤式干涉仪 （光纤光纤光程）光程） 光纤传感器光纤传感器 76 等倾干涉图样示意图等倾干涉图样示意图 等厚干涉图样示意图等厚干涉图样示意图 77 基于基于Mach-Zehnder结构的电光效应光开关结构的电光效应光开关 三、三、 光信号频率

21、的调制光信号频率的调制 工程上常采用的频率调制技术大致三种：工程上常采用的频率调制技术大致三种： 运动参量调频运动参量调频 固定频移固定频移 直接光频调制直接光频调制 可调参数：可调参数： 光强、振幅、光强、振幅、频率频率、相位、相位、 偏振方向、传播方偏振方向、传播方 向，向， 1.运动参量调频运动参量调频 1 1）光学多普勒效应和运动差频）光学多普勒效应和运动差频 2 2）萨格纳克效应（）萨格纳克效应（Sagnac EffectSagnac Effect）和转动差频和转动差频 v v 光频变化与线速度：光频变化与线速度： 光频变化与角速度：光频变化与角速度： 运动物体能改变入射于其上的运动

22、物体能改变入射于其上的光波频率光波频率的现象称作的现象称作 光学多普勒效应光学多普勒效应。 80 光（电磁波）的多普勒效应计算公式分为以下三种：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）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）：线共线）：f=f (c+v)/(c-v)(1/2) ； 其中其中v为波源与接收器的相对速度。当波源与观察者接近时，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，称为取正，称为“紫移紫移”或或“蓝移蓝移”；否则；否则v取负，称为取负，称为“红红 移移”。 （2）横向多普勒效应（即波源的

23、速度与波源与接收器的连）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）：线垂直）：f=f (1-2)(1/2) 其中其中=v/c （3）普遍多普勒效应（多普勒效应的一般情况）：）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) 其中其中=v/c，为接收器与波源的连线到速度方向的夹角。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纵向与横向多普勒效应分别为取取0或或/2时的特殊情况时的特殊情况 1 1）光学多普勒效应和运动差频）光学多普勒效应和运动差频 特殊地，特殊地， rs-r0 2 v 频移数量级：频移数量级： 例如，例如，

24、0.4880m的氩离子激光，的氩离子激光，8.5o，被测，被测 流速流速264m/s， v 77MHz 2 2）萨格纳克效应和转动差频）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当封闭的光路相对于惯性空间有一转动角速度 时，时，顺时针顺时针光路和光路和逆时针逆时针光路之间将形成与转速光路之间将形成与转速 成正比的光程差成正比的光程差LL，其数值满足关系，其数值满足关系 闭合光路的闭合光路的正正反向光路光程差随转速改变的现象反向光路光程差随转速改变的现象 -萨纳克效应萨纳克效应。 L(4A/c) 2 2）萨格纳克效应和转动差频）萨格纳克效应和转动差频 讨论：讨论：用萨格纳克

25、效应用萨格纳克效应 测量测量地球自转速度地球自转速度 L(4A/c) 地球自转 =150/小时 =0.6328m 2 600 300Am 实验不可能！（与足球场比较） 0.174 4 Lm 不易观察 2 60 30Am 4 0 0 L -更难观察更难观察！ 光程差法：光程差法：L ？ 2)2)萨格纳克效应和转动差频萨格纳克效应和转动差频 L ？v 反射镜组成激光谐振腔反射镜组成激光谐振腔 -环形激光器环形激光器 频率与腔长的关系：频率与腔长的关系： vL vL 4 A vK L L(4A/c) 光频差法：光频差法： 1.运动参量调频运动参量调频 一、运动参量调频一、运动参量调频 2)2)萨格纳

26、克效应和转动差频萨格纳克效应和转动差频 反射镜组成激光谐振腔反射镜组成激光谐振腔 -环形激光器环形激光器 4 A vK L 例：例： 国内国内 L=400mm =0.6328m K=2120度度/秒秒 地球自转地球自转150/小时小时 2120 15 3600 8.87Hz v 对于频率信号，电子设对于频率信号，电子设 备可以敏感到备可以敏感到0.005Hz， 可用仪器准确测出。可用仪器准确测出。 4 A L c 光程差法：光程差法：光频差法：光频差法： 4 A v L 国内国内 L=400mm =0.6328m K=2120度度/秒秒 地球自转地球自转150/小时小时 2 60 30Am 4

27、 0 0 L 2120 15 3600 8.87Hz v 光学法光学法电学法电学法 光电系统中，光电系统中，光电信号变换光电信号变换的重要意义！的重要意义！ 2)2)萨格纳克效应和转动差频萨格纳克效应和转动差频 环形激光器环形激光器 光学差频 检测装置 激光陀螺激光陀螺 4A vK L - -测角速度测角速度 -测角度测角度 0 4 t A Ndt L 国产国产激光陀激光陀 螺螺测量角速测量角速 度的精度优度的精度优 于于0.01o/hr 2)2)萨格纳克效应和转动差频萨格纳克效应和转动差频 环形激光器环形激光器 光学差频 检测装置 激光陀螺激光陀螺 4A vK L - -测角速度测角速度 -

28、测角度测角度 0 4 t A Ndt L 国产国产激光陀激光陀 螺螺测量角速测量角速 度的精度优度的精度优 于于0.01o/hr 激光陀螺激光陀螺 -在捷联惯导系统应用在捷联惯导系统应用 02年珠海航展惯导产品年珠海航展惯导产品 俄罗斯改进空地制导武器俄罗斯改进空地制导武器 中国激光陀螺捷联惯导系统中国激光陀螺捷联惯导系统 2. 固定频移固定频移 利用利用光学光学和和光电子学光电子学等方法可制成频率偏移器件等方法可制成频率偏移器件 光谱在外加 磁场下发生 分裂。 半导体激光器的半导体激光器的直接频率调制直接频率调制 i v 1MHz5070GHz 电流频率调制系数电流频率调制系数: 0.1GH

29、z/mA1GHz/mA 可调频范围可调频范围: m 22 cc viKi 可以证明：可以证明： LD 3 3、直接频率调制直接频率调制 四、四、 光信号偏振的调制光信号偏振的调制 典型方法典型方法磁光调制磁光调制 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振动方向发生发生旋转法拉第磁光效应法拉第磁光效应 。 cosKlH 光隔离器光隔离器 典型方法典型方法磁光调制磁光调制 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振动方向发生发生旋转法拉第磁光效应法拉第磁光效

30、应 。 cosKlH 磁光调制器磁光调制器 摘自国家精品课程光纤通信技术 -深圳职业技术学院制作 光电信号变换光电信号变换 光电光电 探测器探测器 光信号光信号 电信号电信号 00 cos(2)EEvt 响应平均光功率响应平均光功率 直接探测直接探测 响应光的频率响应光的频率 相干探测相干探测 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 （平均光功率）（平均光功率） 相干探测相干探测 （光的波动参数）（光的波动参数） 探测方法的改进探测方法的改进 光电信号变换光电信号变换 1. 直接探测的基本原理直接探测的基本原理 2. 直接探测的应用举例直接探测的应用举例 直接探测直接探测Dri

31、rect Detection ，又称为非相干，又称为非相干 探测探测 装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源， 只能探测平均只能探测平均光功率（光强）光功率（光强） 一、直接探测一、直接探测 (1) (1) 直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程： 平方律器件：平方律器件： ssss ( )sin()E tat 光波：光波： 光功率：光功率： 人眼和探测器可以人眼和探测器可以响应平均光功率响应平均光功率 2 )( ss at 2 )( ss atSI 1. 直接探测的基本原理直接探测的基本原理 (2) 直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比 1)信噪比定

32、义：信噪比定义： 22 ssLs 22 n nLn PI RI SNR P i Ri 2 sLs dB1/2 2 2 nL n 10lg20lg I RI SNR i R i 电电信号功率和信号功率和电电噪声功率之比噪声功率之比 2 s U 2 s I nn u U SNR i I SNR或或 提高系统信噪比的基本途径：提高系统信噪比的基本途径： 光学方法光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、光锥、浸没透镜 应用光学应用光学 电学方法电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信如滤波、低噪声放大、弱信 号检测号检测 热力学方法热力学方法，制冷降低探测器噪声制冷降低探测器噪声 信噪比信噪比是衡量光电探测

33、系统质量好坏的一个重要指标是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标 信号光电流信号光电流、背景光电流和器件暗电流、背景光电流和器件暗电流 热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声 2) 直接探测的直接探测的信噪比极限信噪比极限： 以光电二极管为例以光电二极管为例 22 sds d 2222 nd nSnBnDnT (/)Pehv SNR P iiii 最理想情况，只有最理想情况，只有信号信号 光电流引起的散粒噪声光电流引起的散粒噪声 2 nSS 2ieIf s d 2 SNR hvf 直接探测的直接探测的量子极限量子极限 直接探测的直接探测的量子极限量子极限 量子极限的另一种表达是：量子极限的另一种表达

34、是： 直接探测的直接探测的噪声等效功率噪声等效功率 例：例：为为1，f为为1Hz，2h，已很接近单个光子的，已很接近单个光子的 能量能量h。 s d 2 SNR hvf d 2hv f NEP E= J=3.1410-19 J=1.96 eV. 以以632.8nm的氦氖激光为例计算光子能量的氦氖激光为例计算光子能量 2.2.直接探测的应用举例直接探测的应用举例 激光制导、飞行物自动跟踪激光制导、飞行物自动跟踪 激光稳频、机器人视觉激光稳频、机器人视觉 几何量（长度、位移几何量（长度、位移） 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕表面形状参量（工件粗糙度、伤痕） 光学参量（吸收、反射光学参量（吸收、反射

35、） 电磁量（电流、电场、磁场电磁量（电流、电场、磁场） 应用于测量：应用于测量： 应用于控制：应用于控制： 特点：特点：信息加载信息加载辐通量（光强）辐通量（光强） 几何量（长度、位移几何量（长度、位移） 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕表面形状参量（工件粗糙度、伤痕） 光学参量（吸收、反射光学参量（吸收、反射） 电磁量（电流、电场、磁场电磁量（电流、电场、磁场） 辐通量辐通量（幅度、频率、相位（幅度、频率、相位） 例例1. 1. 光电磁场测量光电磁场测量 磁场光通量（磁场光通量（幅度幅度） 磁场磁场振动方向旋转角度振动方向旋转角度 光通量幅度光通量幅度 例例2. 2. 光栅莫尔条纹测位移光栅莫

36、尔条纹测位移 m cos(2) x P t 精度可达精度可达0.1m/m 位移光通量（位移光通量（频率频率） t 光通量的频率测量光通量的频率测量 光电转速表 光栅位移传感器 测测“幅度幅度”与与“频率频率”方法，方法，测量精度测量精度的比较：的比较： 基准精度基准精度测量精度测量精度基准稳定方法基准稳定方法 幅度幅度10-310-410-210-3 模拟量 稳定电路 频率频率10-610-810-510-7 晶振， 数字锁相环 现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！ 例例3. 3. 光电测距光电测距 发射光波发射光波 接收光波接收光波 距离光通量（距离光通量（相位相位） 00 2/tD c

37、 二、二、 相干探测相干探测 直接探测：直接探测：（非相干探测）（非相干探测） 相干探测：相干探测： （光学外差探测）（光学外差探测） 装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光非相干光 源源，只能探测，只能探测光功率（光强）光功率（光强）。 装置复杂，光源必须为装置复杂，光源必须为相干光源相干光源，间接，间接 探测探测光波的振幅、频率和相位光波的振幅、频率和相位等参数。等参数。 相干探测相干探测 1. 相干探测的基本原理相干探测的基本原理 2. 相干探测的条件相干探测的条件 3. 相干探测的应用举例相干探测的应用举例 Coherent Detection 又称为又称为光外差

38、探测光外差探测 (1) 相干探测的物理过程相干探测的物理过程 原理框图原理框图 信号光信号光s （本地、异地）（本地、异地） 参考光参考光r u双频光波：双频光波： u波前匹配条件：波前匹配条件： 空间条件空间条件 频率条件频率条件 偏振条件偏振条件 采用平方律采用平方律探测器探测器： （只响应平均功率）（只响应平均功率） 高灵敏度、高频响应、量子效率高灵敏度、高频响应、量子效率 PMT，PIN-PD，APD u光学混频光学混频器：器： 1. 相干探测的基本原理相干探测的基本原理 1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号 ssss ( )sin()E tat rrrr ( )sin()E

39、tat 信号光信号光 参考光参考光 222 hssrsrsr 2222 srsssrrr rssrsr rssrsr |( )( )|( )( )2( )( ) cos(22)cos(22) 2 2cos()() 2cos()() IS E tE tS EtEtE t E t S aaatat a at a at 平方律探测器光混频输出平方律探测器光混频输出Ihs为：为： 115 ssss ( )sin()E tat rrrr ( )sin()E tat rs rs r s r 2 s 2 s 2 rs 频谱分析频谱分析 r 信号光信号光 s s G107108 外差探测外差探测 直接探测直接

40、探测 hsmrsrs 2ISa aS hssr cos()ISa at 22 hsmsrr 222 dsss 44IS G IS 注意：功率为幅值注意：功率为幅值 有效值的平方有效值的平方 信号光电流、背景光电流和器件暗电流信号光电流、背景光电流和器件暗电流 热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声 仅考虑仅考虑信号光电流信号光电流引起的散粒噪声：引起的散粒噪声： 直接探测的信噪比：直接探测的信噪比： s d 2h SNR f 22 sds d 2222 nd nSnBnDnT (/)Pehv SNR P iiii 2 nSS 2ieIf 相干探测优点：相干探测优点： 信噪比高信噪比高 外差探测：外差探

41、测： 仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即 s h h SNR f f h e e S I I P P SNR r sr n hs n s h )(2 2 2 2 2 外差探测的量子探测极限外差探测的量子探测极限 教材教材6162 注意：为有效值注意：为有效值 相干探测：相干探测： 直接探测：直接探测： 仅考虑信号光引起的散粒噪声限制仅考虑信号光引起的散粒噪声限制 fNEP 2h d s d 2h SNR f 相干探测相干探测信噪比高，最小可探测功率更小信噪比高，最小可探测功率更小 s h h SNR f fNEP h h 2. 2. 相干探测的条件相干探测的条

42、件 (1) (1) 相干探测空间条件相干探测空间条件 (2) (2) 相干探测频率条件相干探测频率条件 (3) (3) 相干探测偏振条件相干探测偏振条件 满足满足波前匹配条件波前匹配条件： 为什么需要为什么需要角准直角准直？ 探测器表面各点探测器表面各点 相位相位相同相同时：时： 探测器表面各点探测器表面各点 相位相位不同不同时：时： 输出信号输出信号最大值最大值输出信号输出信号减小减小 (1) (1) 相干探测空间条件相干探测空间条件 信号光和本振光在空间上的信号光和本振光在空间上的角角 准直（共轴）准直（共轴） 为什么需要为什么需要角准直角准直？ 探测器接收面上沿探测器接收面上沿x方向方向

43、各点的相位不同各点的相位不同 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没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小导致混频输出电流信号减小 ssss s 2 sin ( )sin()E tatx 例：例：d=1mm， s0.6328m 失配角：失配角： d s 例：例：d=1mm， s10.6m 失配角：失配角： 69 定义：中频输出比最大值小定义：中频输出比最大值小10%10%时的主光线夹角为失配角时的主光线夹角为失配角 3 3 对长波探测有利对长波探测有利 空间滤波空间滤波 (2) (2) 相干探测频率条件相干探测频率条件 混频器 选通

44、放大器 观察仪器 高频示波器高频示波器 频谱分析仪频谱分析仪 外差接收外差接收 v，1041010Hz 信号光和本振光的频率漂移？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，由频偏取得本振光两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光 稳频措施：稳频措施： 222 hssrsrsr 2222 srsssrrr rssrsr rssrsr |( )( )|( )( )2( )( ) cos(22)cos(22) 2 2cos()() 2cos()() IS E tE tS EtEtE t E t S aaatat a at a a

45、t (3) (3) 相干探测偏振条件相干探测偏振条件 平方律探测器光混频输出平方律探测器光混频输出Ihs为：为： “代数和” ？ 信号光与本振光的偏振方向一致信号光与本振光的偏振方向一致 加检偏器加检偏器获得偏振方向一致获得偏振方向一致 3. 相干探测的应用举例相干探测的应用举例 hssr cos()ISa at 相位调制相位调制 频率调制频率调制 s s rs 0 0 v vvv ， ， 干涉测量干涉测量 相干通信相干通信 精密测长、测距、测速、测振动、精密测长、测距、测速、测振动、 测力、测应变、测力、测应变、光谱分析光谱分析， 外层空间特别是卫星之间通信、外层空间特别是卫星之间通信、 光

46、纤通中波分复用光纤通中波分复用 接收解调，接收解调， (2) (2) 激光多普勒测速激光多普勒测速 (3) CO(3) CO2 2激光外差通信激光外差通信 (1) (1) 激光干涉测量激光干涉测量 hssr cos()ISa at 1)单频激光测长单频激光测长 hssr cos()ISa at 信号光信号光 参考光参考光 单频单频 hsrs cosISa a2 / 2nl (1) (1) 激光干涉测量激光干涉测量 位移位移l 2()Nm n=1 1) 单频激光测长单频激光测长 例：例：取取n=1, 测量镜位移时观察到探测器测量镜位移时观察到探测器 的输出为：的输出为： hsrs cosISa

47、a2 / 2nl 2()Nm l = ? 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 局限性：局限性： 不能判别移动方向不能判别移动方向 1)单频激光测长单频激光测长 光电探测器光电探测器4,54,5 相位差相位差 参考光参考光 信号光信号光 判别移动方向：判别移动方向：“参照物参照物” 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 判别移动方向：判别移动方向：“参照物参照物” 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 正反移动方向波形正反移动方向波形 1) 单频激光测长单频激光测长 信号光信号光 参考光参考光2 / 2 n l 缺点：缺点：空气的空气的折射率折射率n与当时的与当时的环境温度环

48、境温度、 湿度湿度 及及气压气压等因素有关，影响测量精度等因素有关，影响测量精度 2. 双频激光测长双频激光测长 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2) 双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪 双频激光双频激光 检偏器检偏器 滤波片滤波片 信号光信号光 参考光参考光 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2) 双频激光测长双频激光测长 双频（调制）激光干涉仪双频（调制）激光干涉仪 2 v 光学差频信号光学差频信号 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2) 双频激光测长双频激光测长 2 v 光学差频信号光学差频信号: : 积分器波数积分器波数: : 位移测量公式：位移测量公式： 2 LN 位移与位移与空气的折射率空气的折射率n无关！无关！ 0 2 d t L Nv t 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2) 双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪 频差为频差为150MHz， 激光稳频精度为激光稳频精度为10 8时， 时， 测长精度测长精度0.1m 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 3)3)波前调制相位与二维干涉图分析波前调制相位与二维干涉图分析 表面形状分布表面形状分布 二维光强分布二维光强分布 亮条