291_4535161_第08章光学信号的调制.ppt

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。,xNP,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：,=2nL/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，0.4880m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=0.6328m,实验不可能！（与足球场比较）,不易观察,-更难观察！,光程差法：L？,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=0.6328m K=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=0.6328m K=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：23MHz,几种方法的频移对比：,声光效应：100MHz，变换效率80,旋转波片：23kHz，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,1MHz5070GHz,电流频率调制系数:,0.1GHz/mA1GHz/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,常用解调方法：,峰值检波电路,相敏检波电路,将被测信息从已调信号中分离出来的过程称为解调,1直线律检波与调幅信号的解调,调幅信号二极管检波电路,-适合调幅信号解调,8.3 调制信号的解调,2相敏检波与调相信号的解调(相当重要!),适合于调相信号解调,基本结构,Ui调相信号 Uc-参考信号Ui，Uc 具有相同的频率,8.3 调制信号的解调,Ui,Uc 具有相同的频率,2相敏检波与调相信号的解调,模拟乘法器,功能电路模块,2相敏检波与调相信号的解调,理论推导,滤波输出：,2相敏检波与调相信号的解调,物理意义,幅度信息,例如，目标方位信息,C,D,相位信息,2相敏检波与调相信号的解调,2相敏检波与调相信号的解调,讨论：,1.同相、反相,2.二倍频、三倍频,调制信号 与参考信号同频,2相敏检波与调相信号的解调,只有与参考信号同频的调制信号，才能在相敏检波器的输出端产生输出。,思考：调制信号Ui为任一周期性波形，基波频率和参考信号Uc频率相同,相敏检波器的输出？,Ui,Uc,t,t,2相敏检波与调相信号的解调,思考：调制信号Ui为任一周期性波形，基波频率和参考信号Uc频率相同,Ui,t,2相敏检波与调相信号的解调,只有与参考信号同频的调制信号分量，才能在相敏检波器的输出端产生输出。,思考：调制信号Ui为任一周期性波形，基波频率和参考信号Uc频率相同,相敏检波器的输出：Uo0,Ui,Uc,t,t,2相敏检波与调相信号的解调,本章小结：,1改变光波参数的过程称为调制，从已调制光波中分离并提取出原始信息的过程称为解调。一次调制 二次调制,2连续波调制、脉冲波调制和编码调制等。连续波调制只适应于模拟信号，带宽近似为调制频率的2倍；脉冲波调制和编码调制可以提高探测信噪比和抗干扰能力。,3调制基本方法：辐射源调制、机电调制和光电子调制等。可以实现光强度（光通量）和光波动参数（光频、相位及传播方向等）的调制。,4解调方法：光学法和电子法。电子法中常用：直线律检波器和相敏检波器等，分别用于调幅信号和调相信号的解调。,