第八章光輻射的調制第十四周周二

第八章光輻射的調制調制是光電系統(tǒng)中一重要環(huán)節(jié)。是通過改變光波振幅、強度、相位或頻率、偏振等攜帶信息的過程。調制的目的是對信號或傳榆的信息做某種變換，以便處理、傳輸和檢測。在無線電通信領域中應用調制和解調技術。例如，在對直流信號進行放大時，通常采用將直流信號調制成交流信號，先進行交流放大，再分離出直流信號的方法，以克服采用直流放大器的零點漂移。而解調是從已調制信號中恢復原始信號的過程，故解調即通常所說的信息檢測?！窆廨椛涞恼{制方法很多。傳統(tǒng)的是用調制盤對光輻射強度（能量）進行調制。現代的是利用外電、聲、磁場的微擾引起介質的非線性極化，從而改變了介質的光學性質，即利用外場通過光和介質相互作用實現對光輻射振幅、頻率、相位等的調制。

●目前用得較多的是電光調制、聲光調制。●按調制在光源內發(fā)生還是在光源外進行來分類，還可以將調制分為內調制和外調制兩類。8—1調制的基本原理一、調制的基本概念調制就是使載波的某一參量（幅度、頻率、相位）按待傳輸信號規(guī)律變化的過程。調制不僅可以使光信號攜帶信息，具有與背景輻射不同的特征而便于抑制背景光的干擾，而且可以抑制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場的干擾

光波的調制形式可以分為三類：模擬調制、脈沖調制和數字調制在模擬調制中，信息信號連續(xù)改變載波的強度、頻率、相位或偏振。因此在任何時刻，信號的幅度與波參數的幅度之間都有一一對應的關系。模擬調制包括調幅(AM)、調頻(FM)和調相(PM)三種方式，其中調頻和調相又稱為調角。調頻(或調角)系統(tǒng)比調幅系統(tǒng)有較高的抗干擾能力：噪聲疊加在信號幅度上，可以通過限幅去削掉一部分噪聲而不影響信息的檢出。但是調幅系統(tǒng)實現起來相對簡單一些。脈沖調制和數字調制則是對信息信號的幅度按一定規(guī)律間隔取樣，而用脈沖序列作載波。脈沖調制中，脈沖序列的某一參量隨低頻調制信號的變化而變化。脈沖調制主要有脈沖調幅(PAM)、脈沖調寬(PWM)、脈沖調頻(PFM)和脈沖調位(PPM)脈沖調制是把信息信號以編碼形式轉變?yōu)槊}沖序列。這些載波脈沖在時間位置固定，而幅度被量化。最簡單的編碼形式是采用二進制。用“0”態(tài)和“1”態(tài)組成的碼集去攜帶信息，這些二進制脈沖串代表了原始信號的幅度。

數字調制數字-比模擬系統(tǒng)不受噪聲和失真的干擾，為此付出的代價是系統(tǒng)頻帶要求寬每一毫秒的瞬間模擬信號被采樣一次，并被轉化為3bit兩電平二進制信號

數字調制即編碼過程●每一毫秒的瞬間模擬信號被采樣一次，并被轉化為3bit兩電平二進制信號；●實際需8位以上，以提高取樣值量化精度；●兩個相鄰取樣點之間的時間間隔內，信息信號作為脈沖序列被傳輸二、調制信號的頻譜●付里葉級數揭示信號頻譜持性，可將任何周期信號分解，表成直流分量與無數諧波分量（不同頻率的正弦信號）之和；或者相反，實現信號合成。(2)調幅信號的頻譜調幅：用低頻調制信號直接控制高頻載波振幅的過程稱為振幅調制。通常載波為余弦被，且載頻比調制信號頻率高很多。

在調幅波中，載波并不能傳送有用信號、只有邊頻才能傳送有用信號?？偣β手兄炼嘀挥腥种唬ó斦{制最大m＝1時）被用來傳送有用信號。能量利用效率較低，這是調幅的一個主要缺點。調幅的優(yōu)點是占用頻帶較窄，容易實現其信號處理。系統(tǒng)亦比調頻系統(tǒng)結構簡單，工作可靠。(3)調角信號的頻譜調角：載波信號的相角按照調制信號的規(guī)律變化調頻調相調頻波及其頻譜：單頻正弦調頻調頻指數：表示最大相位偏移量

最大頻率漂移量，最大頻偏最大頻率漂移量--最大頻偏相對ω0最大頻偏，Δω，正比于Em，與Ω無關調頻波特點、頻寬●調頻波頻譜由載頻ω0和許多對邊頻ω0+-nΩ組成●這些邊頻對稱分布在載頻兩側，間隔為調制信號頻率Ω不同mf值下Jn(mf)與邊頻次數n關系各邊頻相對振幅隨mf而變化：●給定的邊頻次數n,振幅隨mf而變化；●mf越大，振幅較大邊頻對越多；●接近mf后的第n邊頻振幅迅速減小直到零●Mf較小時，譜線較大的邊頻都集中在載頻附近●隨Mf增大，邊頻振幅增大，數量增加●Ω不變Em增加時，mf、Δω增加，譜線間隔不變，譜線增多，頻帶加寬●Em不變而Ω增大時，Δω不變；mf隨Ω減小而增大，邊頻數目增加，譜線變密，帶寬不變各頻率分量振幅相對大小●調頻波帶寬隨調制信號幅度增大而加寬，與調制頻率無關●頻帶寬：對于每一調頻指數mf,有一邊頻數nmax,從其后振幅顯著變小。把nmax以內邊頻稱為有效邊頻，nmax對（pair)之間頻帶稱為有效帶寬；●mf>5時，決定頻譜強度的Jn(mf)在n>mf后很快趨于零，取n=mf階譜線決定帶寬：ΔB=2mfΩ=2Δω---寬帶調頻●mf<<1,調頻波頻譜與調幅波相同，ΔB=2Ω-----窄帶調頻調頻波特點寬帶調頻的帶寬為調幅波的mf倍，這是調頻波的最大缺點●抗干擾性能好由于調頻指數可大于1，調制信號所產生的頻偏遠大于干擾造成的頻偏，提高了信噪比；調幅因受波形失真限制，調頻指數不能超過1，要提高信噪比只能靠提高發(fā)射功率●對光電系統(tǒng)，噪聲和畸變（外來干擾、內部噪聲和元件非線性）主要疊加在信號幅度上，造成已調波的寄生調幅，而對頻率干擾很小。調頻系統(tǒng)可以通過限幅消除寄生調幅功率利用率高(調制效率高)

●功率利用率高(能量利用率高)調幅系統(tǒng)大部分能量集中在不反應信號的載頻上，而反應信號的邊頻能量較?。徽{頻系統(tǒng)在mf>1時，能量主要集中在邊頻分量上，因此調頻系統(tǒng)能量利用率高

2．非周期信號的頻譜非周期信號作為周期信號當周期趨于無限大時的極限與周期性矩形脈沖頻譜比較，非周期性的單個脈沖頻譜是前者在脈寬不變、周期趨于無窮大時的情形：包絡形狀不變；譜線間距無限變窄，由離散形成連續(xù)譜8—2調制盤調制盤的最基本作用，是把恒定的輻射通量變成周期性重復的光輻射通量。對一般的光電系統(tǒng)，調制盤的作用主要有如下三點：提供目標的空間方仿；進行空間濾波以抑制背景干擾；抑制噪聲與干擾以提高系統(tǒng)的檢測性能。在紅外跟蹤及制導系統(tǒng)中，調制盤主要用來提供目標的空間方位，即把目標方位轉換成可用信息，從而給出誤差信號驅動跟蹤機構跟蹤目標。此外，調制盤可用來濾除大面積背景輻射，即進行空間濾波。光點掃描式調制盤也稱為圓錐掃描式調制盤。(一)工作原理1、調制盤圖案及光點掃描圓的形成最外圍：三角形(調制區(qū))，用于產生調制曲線的上升段，三角形的數目根據選擇的載波頻率和光點掃描頻率確定。內層：扇形分帶棋盤格式圖案，根據空間濾波的考慮設計，所以各環(huán)帶上的黑白面積應盡量相等。調制盤置于光學系統(tǒng)的焦平面上，圖案中心與光學系統(tǒng)主光軸重合，調制盤本身不轉，目標象點相對于調制盤作圓運動。調頻式調制盤一、旋轉調頻調制盤圖案1(如圖)：徑向分成四個環(huán)帶每個環(huán)帶分成若干個黑白格子，同一環(huán)帶中的格子的對應的扇形角度相等。每一環(huán)帶內的扇形格子數目隨徑向距離而變化，由內向外每增加一個環(huán)帶，黑白格子的數目增加一倍。根據載波頻率判斷象點位置：如A點的頻率是B點頻率的一半。缺點：無法判斷目標的方位角，處于同一環(huán)帶內的象點無法區(qū)分。調相式調制盤圖案：如圖，由大、小兩圓組成，小圓半徑為R。以R為半徑的圓分兩區(qū)目標調制區(qū)半透區(qū)外圓環(huán)也有同樣的兩區(qū)，但相位與內圓相反。脈沖調寬式調制盤圖案：如圖2_46黑色為不透輻射區(qū)。白色為透輻射區(qū)。誤差信號的產生：目標象點偏離量ρ變化周期T不變，但脈寬τ變化。ρ增大，τ增大特點：脈寬τ反映ρ的變化。無法確定方位角的變化。一般不單獨使用。調制盤的空間濾波作用以“日出”式調制盤為例說明空間濾波原理輻射狀扇形條，透光/不透光交替；下半圓半透光；置于光學系統(tǒng)焦平面，調制盤中心與光軸重合；調制盤繞光軸轉動；后有場鏡把光匯聚到探測器。調制盤的空間濾波作用以“日出”式調制盤為例說明空間濾波原理目標總是存在于背景（大氣、云層或地物）中，背景輻射與目標同時進入系統(tǒng)。差異是背景與目標相對系統(tǒng)張角不同，結空間分布不同，調制后可以抑制背景，突出目標。調制盤的空間濾波作用以“日出”式調制盤為例說明空間濾波原理小張角目標在入射到調制盤是很小點像調制盤轉動后目標點像交替通過狀扇形條，產生一系列脈沖串---矩形調幅波載波基頻ω0由調制盤轉速和扇形條對數（一個周期）決定；信號頻率只由轉速決定，即主要特征是每隔T時間對載波調制一次調幅波頻譜調制盤透過函數的頻譜為：載頻ω0、3ω0、5ω0兩側對稱分布著調制信號的頻譜Ω0、3Ω0、5Ω0調制盤透過函數、通量函數及它們的空間頻譜●空間濾波坐標調制盤透過函數、通量函數及它們的空間頻譜像面坐標與調制盤坐標同在像平面上相對靜止時，二者重合；當調制盤相對像點轉動時，可用g相對r轉動來描述已知像函數確定通過調制盤的輻射通量Φ(K)=I(K)T*(K)通量函數的空間頻譜就等于像函數空間頻譜乘以調制盤透過函數空間頻譜共軛通量函數就等于像函數空間頻譜乘以調制盤透過函數空間頻譜共軛的積分通量函數的頻譜取決于像函數的頻譜與調制盤透過函數頻譜共軛之積●小張角目標像點：物函數、像函數δ分布，像函數頻譜很寬且為常數，因此通量函數頻譜近似為調制盤透過函數頻譜●大張角背景：在調制盤上成很大的像，充滿部分甚至整個調制盤，轉動調制時輸出幅度值變化很小，是直流量或低頻分量（少許波紋）●小張角目標像點：物函數、像函數δ分布，像函數頻譜很寬且為常數，因此通量函數頻譜近似為調制盤透過函數頻譜●大張角背景：在調制盤上成很大的像，充滿部分甚至整個調制盤，轉動調制時輸出幅度值變化很小，是直流信號(少許波紋)，從頻域看，大背景像頻譜為直流和低頻分量●當小目標與大背景成像于調制盤時，探測器同時輸出上述兩種信號，選擇合適中心頻率和帶寬電子濾波電路，就可以抑制背景干擾----空間濾波●改進→作徑向分帶---棋盤式調制盤調制盤的徑向各處對大面積像點的透過率均接近50％，為此要求每個小單元格子的面積應該相等----空間濾波的等面積原則?！袢粘鍪秸{制盤很難完全濾除背景：因為背景邊緣不規(guī)則、背景內輻射不均勻、存在輻射面積較小背景，尤其遇到背景邊平行于輻射條時，會出現透/不透輻條依次切割云邊。這時調制盤轉動會產生相當強背景調制信號?！裨蛟谟谳棗l式調制盤在平行輻條方向沒有調制作用響尾蛇空——空導彈導引頭中實際采用的調制盤

實物直徑為6.3mm。上半圓為調制區(qū)，分成12個等分扇形區(qū)，中心扇形區(qū)的半徑為1.1mm，邊緣各環(huán)帶分成三組，從內層環(huán)帶算起。

1～4環(huán)帶，每環(huán)帶間距為0.2mm。5～9環(huán)帶，每環(huán)帶間距為0.15mm。10～14環(huán)帶，每環(huán)帶間距為0.1mm,(圖中只畫出12個環(huán)帶)下半圓為半透明區(qū)。由62條寬為0.025mm(=25)，間距也為0.025mm的不透明同心半圓黑線組成的，因為目標象點線度通常講遠較0.025mm為大，所以可認為這個區(qū)域的透過系數無論對目標或對背景都是50％。三、用調制盤確定目標方位在跟蹤及制導系統(tǒng)中，調制盤主要用來測量目標方位，即把目標方位轉換成可用信號，從而給出誤差信號驅動跟蹤機構跟綜目標，此外就是濾除大面積背景輻射，即空間濾波。分析問題時，為方便起見，常常引入調制深度m的概念，它定義為假設像點為一個幾何點，這時所得載波為矩形調幅脈沖。當目標像點處于調制盤上的不同方位時，所得調制波包絡的初相角不同，因此可以用包絡的初相角來反映目標的方位。調制信號的包絡相位與目標方位角關系紅外跟蹤系統(tǒng)中的位標器紅外跟蹤系統(tǒng)中的位標器調制盤輸出調制盤透過率R()扇形半周是周期為π/q的方波；另半周透過率均為1/2總透過率是周期為2π的振幅調制方波調制盤輸出周期R1()為直流，被電路濾掉R2()是矩形調幅波，由多項諧波組成其中Ω0=2π/T,ω0=2π/(T/2q)調制盤輸出頻譜R2()是矩形調幅波，由多項諧波組成其中Ω0=2π/T,ω0=2π/(T/2q)調制盤輸出頻譜位標器要定出目標像點方位不需要全部諧波，只需要調幅波的一次諧波足已：后繼電路把其余高次諧波濾掉，即選頻放大器只選取n=1,m=1所對應的一次諧波分量，其它全部抑制光敏電阻和放大器輸出位標器光敏電阻后輸出為→放大器輸出為→不同方位檢波器輸出位標器光敏電阻后輸出為→檢波器輸出為→目標像點分別位于a,b,c,d不同方位時，輸出信號反應了方位的差別：四個正弦調幅波的包絡，即檢波器后輸出的四個正弦信號相位相差90度基準信號提供參考方位轉動鏡筒上裝有永久磁鐵，不動的框架上裝有兩對線圈，鏡筒進而磁鐵轉動時，磁力線切割基準線圈，產生基準電壓，為絕對方位測量提供參考基準目標偏離量ρ與失調角Δq像點在不同徑向位置，調制盤輸出信號幅值不同，如下圖目標全信息：

偏離量ρ(失調角Δq)、方位角Θ像點在不同徑向位置，調制盤輸出信號幅值不同；像點在不同方位置，調制盤輸出信號相位不同聲光效應與光衍射8-4聲光調制●介質受外力作用時，折射率會發(fā)生變化，彈光效應。聲波是一種機械應力彈性波，作用于介質時引起彈光效應,稱為聲光效應?！癞敵暡ㄔ诮橘|中傳播時，介質密度呈疏密的交替變化，導致折射率交替變化。介質等效為一聲光柵。

●光柵的條紋間隔等于超聲波的波長（與光柵相似）；當人射光束通過該介質時，則入射光波被聲光柵衍射。衍射光束的強度、頻率和方向等都隨著超聲場而變化。聲波通過聲光柵實現對光束、光強和傳播方向控制。C折射率的折射率上邊的周期性變化，形成的光柵及衍射聲行波和聲駐波比較●聲行波形成的聲光柵的柵面在空間是運動的，運動速度等于Vs，而聲駐波形成的聲光柵在空間是固定不動的；●聲行波光柵在聲波作用于聲光介質期間始終存在．而聲駐波光柵，每隔半個周期(T／2)，便會出現一次?n=0的情況，即聲光柵本身做“有”、“無”交替變化，實現對光束的調制；●調制頻率，即聲光柵“有”、“無”的頻率為超聲波頻率的兩倍（由周期減半T／2所致）。光在介質中被彈性波衍射時，按照超聲波頻率的高低以及聲作用區(qū)長度，可分為拉曼-奈斯(Raman—Nath)型衍射和布拉格(Bragg)衍射。引入參數1．拉曼—奈斯衍射

Q<1,且垂直入射：↑拉曼-奈斯多級衍射，對稱Q>1,且斜入射：→布拉格兩級衍射，不對稱2．布拉格衍射

2．布拉格衍射二、聲光調制器聲光介質；電聲換能器及其驅動電源；吸聲或反射裝置衍射1級或0級作為輸出，其它光闌擋去拉曼奈斯型：正入射；布拉格型：斜入射8—5電光調制電光調制利用某些晶體材料在外加電場作用下折射率發(fā)生變化的電光效應?！窬w必須按相對于光軸的一些特殊方向切割成長方形或圓柱形等形狀?！癞旊妶黾釉诰w上時，其折射率的線性變化(普克爾效應)或平方變化(克爾效應)，●加電場的方向通常有兩種方式一是電場沿著晶體軸(光軸方向)，電場方向與光線方向平行，縱向電光效應；二是電場沿晶體任一主軸上，而通光方向與電場方向相垂直，即橫向電光效應。第三部分晶體光學的基礎知識電光振幅調制原理縱向應用KDP縱向調制輸出輸入KDP起偏入射光沿z,入射光起偏沿y處，兩傳播模有相位差（稱作相位延遲）相位延遲處入射光分解為方向偏振的兩個傳播