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1、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,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。,6,5.1 光信号调制概述,光波是信息的载体，通常称为光载波。,1.载波的特征
2、参数？,2.调制：一次调制和二次调制,3.二次调制的意义,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,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,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,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
3、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,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,二次调制的意义？,声音、图像加载信息,抑制干扰改善品质,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
4、量）,光强是使用最为广泛的调制参数,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,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,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,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？,载波,信息,振幅,讨论：（1）调制指数m 对调幅波形的影响,载波,信息,振幅,讨论：（2）调幅对频谱的影响,调幅波频谱,信号变换频率搬移,调幅波带宽 B=
5、2F,信息“频率”,载波“频率”,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,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,-频率调制指数,mf 1 宽带调频mf 1窄带调频,当,-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,例：FM立体声广播,载波:91.8MHz,音频:20kHz,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,调频光信号产生实例,二、脉冲调制,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
6、用：激光测距、目标跟踪与识别等,三、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,5.3 光学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，,二、光信号相位的调制,一、光信号强度的调制,三、光信号频率的调制,四、光信号偏振的调制,一、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,1)半导体激光器调制,调制频率40GHz,摘自国家精品课程光纤通信技术-深圳职业技术学院制作,摘自国家精品课程光纤通信技术-深圳职业技
7、术学院制作,1.辐射源调制,-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100MHz,摘自国家精品课程光纤通信技术-深圳职业技术学院制作,摘自国家精品课程光纤通信技术-深圳职业技术学院制作,中短距离光电测距光通信，,2.机电调制,1)调制盘调制,2)光栅莫尔条纹调制,1)调制盘调制,典型的光强度调制器,应用：红外被动制导系统、红外跟踪系统 激光波束制导，,光电扫描式调幅,旋转调频,调相式,脉冲调宽,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,问题：如果光源1本
8、身波动，该怎么解决？,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,中国轰-6型战略轰炸机巡航南沙 2007,05,09,目标小张角,背景大张角,b.用调制盘进行空间滤波,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,c.用调制盘确定目标方位,目标方位：目标M（，）像点M（，）,c.用调制盘确定目标方位,目标方位：像点M（，）,调制信号幅度,调制信号初相位,比较目标像在A、B位置输出初相位,调制盘小结：,调制盘是一种
9、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；（3）提供目标方位空间信息。,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）,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,光栅莫尔条纹,典型的计量光栅,结构：,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,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
10、。,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),3.光电子调制,1）电光调制,2）声光调制,3）磁光调制,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,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
11、之比（透过率）,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,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,(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,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,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
12、化声光效应。,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,(2)两种声光效应,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！,（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：,(3)声光调制器,衍射光强度调
13、制,布拉格型声光调制器,1级（或1级）光输出,Ii,I1,(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,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,1.电光相位调制,可以实现对单束相干光波相位的调制,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,干涉条件：频率相同、偏振相同、相位差恒定,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,76
14、,等倾干涉图样示意图,等厚干涉图样示意图,77,基于Mach-Zehnder结构的电光效应光开关,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，,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（Sagnac Effect）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。,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
15、)(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,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,2）萨格纳克效应和转动差频,当封闭的光
16、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),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？,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,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
17、=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：,国内 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-在捷联惯导系
18、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,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。,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,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,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,摘自国家精品课程光纤通信
19、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,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Drirect Detection，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,(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,(2)直接探测系统的信噪比,1)信噪比
20、定义：,电信号功率和电噪声功率之比,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,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,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=3.1410-19 J=1.96 eV.,以632.8nm的氦氖激光为例
21、计算光子能量,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：,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,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,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
22、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！,例3.光电测距,发射光波,接收光波,距离光通量（相位）,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,Coherent Detection,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
23、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,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：,115,频谱分析,信号光,1010Hz,探测器、放大器滤波器（中频输出）,特例：单频双光束干涉（频差为0）零差探测,讨论：相干探测的实质,a.平方律探测器,b.频率搬移,光学混频器,光电系统相干探测,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,s,r,无线电外差接收,高频载波,本机振荡,混频,中频信号,解调,音频图像信息,光外差探测,2)调制信号的探测,相干探测_拍频信号的调
24、制,(2)相干探测的基本特性,相干探测优点：（与直接探测对比）,探测能力强,转换增益高,信噪比高,滤波性好,稳定性和可靠性高,相干探测优点：,探测能力强,直接探测光的强度：as2,振幅,相位,频率,光波的,相干探测优点：,转换增益高,rs G107108,外差探测,直接探测,注意：功率为幅值有效值的平方,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,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,相干探测：,直接探测：,仅考虑信号光引起的散粒噪声限制,相
25、干探测信噪比高，最小可探测功率更小,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）,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,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
26、波探测有利,空间滤波,(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：,(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,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，,(2)激光多普勒测速,(3)CO2激光外差通信
27、,(1)激光干涉测量,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=1,1)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,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,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,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,2)双频激光测长,双频激光干涉仪,双频激光,检偏器,滤
28、波片,信号光,参考光,1.激光干涉测量,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,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,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,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=kU Lr,3)波前调制相位与二维干涉图分析,物面凹凸 不平程度,相位分布,基本思路：,亮条纹,二维 干涉图样,1.激光干涉测量,表面形状
29、分布,二维光强分布,亮条纹,动态检测：精度/100,静态检测：精度/20,二次相位调制,3)波前调制相位与二维干涉图分析,1.激光干涉测量,3)二维干涉图测量,二次相位调制的实现途径,二次相位调制,移动参考镜,参考镜,阶梯波扫描时的干涉图：,干涉图样：,时序信号：,t,I,3)二维干涉图测量,i.干涉面上任意一点x的光强分布都可以展开为参考光相位r的时序调制，即可将干涉空间图转换为时序信号：,ii.被测光信息的相位s(x)可由下式计算得出，并由此确定面形的凹凸程度：,3)二维干涉图测量,1.激光干涉测量,一种改进的泰曼-格林干涉仪,双频平面外差干涉测量系统,单频平面干涉/100双频平面干涉/1
30、000,3)波前相位调制与二维干涉图分析,3.CO2激光外差通信,光通信,光纤通信,大气光通信,半导体激光器强度调制直接探测,CO2激光器光波频率或相位调制相干探测,CO2激光外差通信,频率或者相位调制 相干探测 外层空间星际通信,光纤通信,强度调制 直接探测 应用,相干探测,相干探测可用于光纤通信中波分复用 接收解调,发送端,接收端,1,2,n,强度调制,强度调制,强度调制,复用,相干接收,相干接收,相干接收,1,2,n,光纤,5.4 小结：,1.直接探测是用探测器直接测量光强度（光通量）信息，噪声等效功率极限,该方法设备简单，对光源的相干性无要求。,2.相干探测是利用信号光和本征光在探测器上混合产生拍频信号来测量光波的幅度、频率和相位等信息，噪声等效功率极限,信噪比高、滤波性好等优点，要求满足空间、频率和偏振条件，设备较复杂，要求光源相干性好。,相位调制检测（单一频分光，干涉测量）,频率调制检测（运动参量、固定频移和直接调频）,
