第五章光電檢測系統(tǒng)

Ch5光電檢測系統(tǒng)光電檢測技術(shù)呂勇lvyong222@163.com光電檢測系統(tǒng)相關(guān)概念直接（非相干）探測基本原理相干探測的基本原理光調(diào)制/解調(diào)光電信號變換在光電系統(tǒng)中，通常要借助于幾何光學(xué)、物理光學(xué)和光電子學(xué)的方法對信號進行變換，包括將一種光量轉(zhuǎn)換為另一種光量，將非光量轉(zhuǎn)換為光量或?qū)⑦B續(xù)光量轉(zhuǎn)換為脈沖光量等。變換的目的：①將待測信息載荷到光載波上進而形成光電信號；②改善系統(tǒng)的時間或空間分辨力和動態(tài)品質(zhì)，提高傳輸效率和檢測精度；③改善系統(tǒng)的檢測信噪比，提高工作可靠性。光電信號的變換方法變換方法光學(xué)原理應(yīng)用幾何光學(xué)法透射、反射、折射、散射、遮光光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準定位、光準直、外觀質(zhì)量檢測、測長測角、測距等。物理光學(xué)法干涉、衍射、散斑、全息、波長變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)象。莫爾條紋、干涉計量、全息計量、散斑計量、外差干涉、外差通訊、光譜分析、多普勒測速等。光電子學(xué)法電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等光電信號的變換方法與應(yīng)用幾何光學(xué)變換法是利用幾何光學(xué)意義上的光傳播的直線性、通光、遮光、反射、折射、成像等光學(xué)方法進行變換，在光開關(guān)、光掃描、光學(xué)編碼以及光電瞄準、測距、幾何尺寸及外觀品質(zhì)檢驗等技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛；物理光學(xué)變換法是利用光的干涉、衍射、散斑、全息、光譜等光學(xué)方法進行干涉計量、光譜分析、散斑全息測量等；光電子學(xué)法是利用光控器件及光導(dǎo)纖維光學(xué)等方法實現(xiàn)光調(diào)制、光記錄、光存儲、光傳輸?shù)?。光電系統(tǒng)的類型主動和被動光電系統(tǒng)

(攜帶信息的光源）可見、紅外、紫外光電系統(tǒng)（光譜范圍）點探測系統(tǒng)和面探測系統(tǒng)

(接收系統(tǒng))模擬和數(shù)字系統(tǒng)

(調(diào)制方式和信號處理電路的類型)直接探測系統(tǒng)和相干探測系統(tǒng)(光波對信息的攜帶方式)

光電系統(tǒng)的指標信號的輸出信噪比SNRp模擬系統(tǒng)——線性度數(shù)字系統(tǒng)——誤碼率作用距離視場信號傳輸率，響應(yīng)速度，帶寬分辨率被動光電系統(tǒng)和主動光電系統(tǒng)光源、光電變換系統(tǒng)和光電接收器件一起構(gòu)成光電測量系統(tǒng)。如果信息源通過調(diào)制光源的電源電壓或電流，把信息載荷到光載波上，而發(fā)射調(diào)制光，或者用光電系統(tǒng)的光源（人工光源）照射目標再進行光電變換，然后由光電接收系統(tǒng)接收，稱為主動光電系統(tǒng)。如果光電系統(tǒng)所接收的信號完全來自于被測對象的自發(fā)輻射而非人工光源照明，稱為被動光學(xué)系統(tǒng)；主動系統(tǒng)通過信息調(diào)制光源，或者光源發(fā)射的光受被測物體調(diào)制。被動系統(tǒng)光信號來自被測物體的自發(fā)輻射相干檢測與非相干檢測光載波所攜帶的被測光信息有多種，若光信息為光強，即被測量攜帶于光載波的強度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源，光電器件都只直接接收光強度變化，最后用解調(diào)的方法檢出被測信息為直接檢測（非相干檢測）；若光信息載荷于相干光源的光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，稱為相干檢測。非相干檢測如果光源是非相干光，但用光調(diào)制的方法使被測信息載荷于調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電的方法從調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中檢測出被測信息，則仍為非相干檢測。因此，把直接檢測光信息的光強（或叫光功率）以及檢測非相干光調(diào)制頻率、振幅或相位的方法統(tǒng)稱為非相干檢測。直接檢測系統(tǒng)的工作原理直接檢測是將待測的光信號直接入射到光電器件的光敏面上，光電器件的輸出電流或電壓與入射光強度有關(guān)。若入射光波的振幅為那么入射光功率為光電檢測器件的輸出光電流為式中K為光電靈敏度其中為產(chǎn)生的電荷，為入射光功率。平方律：輸出光電流和輸入光振幅的平方成正比光電器件的輸出功率若光電器件的負載電阻為RL

，則它的輸出功率為：該式表明光電檢測器件輸出的功率正比于入射光功率的平方。若入射光信號為強度調(diào)制光，調(diào)制信號為d(t)，那么光電檢測器件輸出的光電流為：式中第一項為直流電平，第二項為有用信號，即光載波的包絡(luò)線。系統(tǒng)的基本特性系統(tǒng)噪聲：信噪比：表征檢測系統(tǒng)的靈敏度式中PS為輸入信號光功率。檢測距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評價指標，與發(fā)射和接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標的反射特性有關(guān)。fS為信號光波，fL為本機振蕩光波，這兩束相干光入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場。經(jīng)探測器變換后，輸出信號中包含的差頻信號，故又稱相干探測。

相干探測的基本原理設(shè)入射到探測器上的信號光場為：本機振蕩光場為：入射到探測器上的總光場為：式是光頻差；是相位差。兩束光合光時，光電探測器（平方律特性）輸出電流當(dāng)兩束光頻率相同時，Δω=0，稱為單頻光干涉。當(dāng)Δω不等于0時，干涉條紋將以Δω的角頻率隨時間波動，形成光學(xué)拍頻，這時稱為外差干涉。光外差檢測的特性可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強度調(diào)制的光信號，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號，即在光探測器輸出電流中包含有信號光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達107-10８，對微弱信號的探測有利。外差檢測與直接檢測相比：

本振光功率，信號光功率差頻信號由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到。良好的濾波性能

取差頻信號為信息處理器的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光，而在直接探測中，所有的雜散光都將被接收。信噪比損失?。粰z測靈敏度高例如：量子效率為１，Δf為１Hz，則外差檢測的靈敏度極限為１個光子。系統(tǒng)對探測器性能的要求光外差檢測對探測器的要求比直接檢測高響應(yīng)頻帶寬均勻性好工作溫度高

調(diào)制的基本概念直接調(diào)制調(diào)制盤調(diào)制器件調(diào)制光調(diào)制信號的解調(diào)調(diào)制的基本概念將信息加載到介質(zhì)載體的過程稱為調(diào)制；在光電技術(shù)中常利用光波作為信息傳遞的載波；光調(diào)制：通過改變光波的振幅、強度、相位、頻率或偏振等參數(shù)，使傳播的光波攜帶信息的過程；調(diào)制的目的：對所需處理的信號或被傳輸?shù)男畔⒆髂撤N形式的變換，使之便于處理、傳輸和檢測。光信號調(diào)制檢測的優(yōu)點/作用

調(diào)制檢測光信號可以減少自然光或雜散光對檢測結(jié)果的影響；調(diào)制檢測光信號可以消除光電探測器暗電流對檢測結(jié)果的影響；調(diào)制檢測光信號的方法提供了多種形式的信號處理方案，可達到最佳檢測的設(shè)計。通常交流電路處理信號方便、穩(wěn)定，而沒有直流放大器零點漂移的問題；調(diào)制檢測光信號的方法還提供了多種調(diào)制方案，如調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相等，從而擴大了應(yīng)用范圍。

舉例？

光調(diào)制的分類光載波分為相干光波和非相干光波，光載波所具有的特征參量是光功率、振幅、頻率、相位、脈沖時間、傳播方向、偏振方向、光學(xué)介質(zhì)的折射率等。1、按調(diào)制次數(shù)分類調(diào)制有一次調(diào)制和二次調(diào)制之分（將信息直接調(diào)制到光載波上被稱為一次調(diào)制。而將光載波先人為地調(diào)制成隨時間或空間變化，然后再將被測信息調(diào)制到光載波上稱為二次調(diào)制。這樣做看起來是比較復(fù)雜，但它對提高信噪比和測量靈敏度，對信息處理的簡化都有好處；還可以改善系統(tǒng)的工作品質(zhì)和擴大目標定位范圍。）例如？2、按時空狀態(tài)分類按調(diào)制位置是在光源內(nèi)發(fā)生還是在光源外進行可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制；光調(diào)制的分類：3、按載波波形分類按調(diào)制光波的參量可分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制等；4、按調(diào)制元件分類根據(jù)應(yīng)用的物理效應(yīng)分為電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制；5、按調(diào)制形式分類按調(diào)制的形式分模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制和脈沖調(diào)制。內(nèi)調(diào)制：將要傳輸?shù)男盘栔苯蛹虞d于光源，改變光源的輸出特性來實現(xiàn)調(diào)制；其中最簡單的是對半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源用調(diào)制信號直接控制，實現(xiàn)對所發(fā)射激光的強度的調(diào)制。另一個就是把調(diào)制元件（如電光、聲光晶片）放在激光器的諧振腔內(nèi)，用要傳輸?shù)男盘柨刂圃撜{(diào)制元件物理性質(zhì)的變化，改變光腔參數(shù)，實現(xiàn)調(diào)制激光輸出；外調(diào)制：在光源外的光路上放置調(diào)制器，將要傳輸?shù)男盘柤虞d于調(diào)制器上，當(dāng)光通過調(diào)制器時，透過光的物理性質(zhì)將發(fā)生改變，實現(xiàn)信號的調(diào)制。

直接調(diào)制與間接調(diào)制：內(nèi)調(diào)制是直接對光源進行的調(diào)制，又稱為直接調(diào)制或電源調(diào)制；外調(diào)制是在激光形成以后加載調(diào)制信號，又稱為間接調(diào)制。模擬調(diào)制：模擬調(diào)制是將信息強度、頻率、相位或偏振等的一種形式。在任何時刻信息的幅度與載波參數(shù)之間都有一一對應(yīng)的關(guān)系，它包括調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)三種方式。

脈沖調(diào)制：對信號的幅度按一定規(guī)律間隔取樣，用脈沖序列作載波。脈沖調(diào)制和數(shù)字調(diào)制是對信息的幅度按一定規(guī)律間隔采樣，而用脈沖序列作載波。在脈沖調(diào)制形式中，脈沖序列的某一參量會隨低頻調(diào)制信號的變化而變化。脈沖調(diào)制主要有脈沖調(diào)幅(PAM)、脈沖調(diào)寬(PWM)、脈沖調(diào)頻(PFM)和脈沖調(diào)位(脈沖調(diào)相或脈沖時間調(diào)制PPM)等形式。

脈沖調(diào)制不僅能提高系統(tǒng)測量靈敏度，提高信噪比，而且能使同一個光學(xué)通道實現(xiàn)多路信息傳輸。如不同寬度的調(diào)幅脈沖波在同一根光纖中傳播，在接收端設(shè)置脈寬鑒別電路，就可以把不同寬度的調(diào)幅波分離開。數(shù)字調(diào)制：對信號的幅度按一定規(guī)律間隔取樣，以編碼的形式轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖序列。載波脈沖在時間上的位置是固定的，在幅度上是被量化的。常采用兩電平表示的二進制編碼形式。直接調(diào)制LD和LED的直接調(diào)制直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷氚雽?dǎo)體光源（激光二極管LD或半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED），從而獲得調(diào)制光信號。由于它是在光源內(nèi)部進行的，因此又稱為內(nèi)調(diào)制。根據(jù)調(diào)制信號的類型，直接調(diào)制又可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。半導(dǎo)體激光器（LD）直接調(diào)制的原理如圖為砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)注入式半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流的關(guān)系曲線。105050100It

150200驅(qū)動電流(mA)輸出功率(mW)半導(dǎo)體激光器的輸出特性下圖所示的是半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理以及輸出光功率與調(diào)制信號的關(guān)系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號不失真。輸出功率直流偏置調(diào)制信號輸出光強信號ttt(b)CL~LD調(diào)制信號直流偏置(a)半導(dǎo)體激光器調(diào)制(a)電原理圖；(b)調(diào)制特性曲線半導(dǎo)體光源的模擬調(diào)制

無論是使用LD或LED作光源，都要施加偏置電流Ib，使其工作點處于LD或LED的P－I特性曲線的直線段，如圖所示。其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度m有關(guān)：LEDUb+EcIc已調(diào)光波(a)PoutItIco(b)模擬信號驅(qū)動電路激光強度調(diào)制(a)驅(qū)動電路；(b)LED工作特性注：半導(dǎo)體激光器處于連續(xù)調(diào)制工作狀態(tài)時，無論有無調(diào)制信號，由于有直流偏置，所以功耗較大，甚至引起溫升，會影響或破壞器件的正常工作。半導(dǎo)體發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出光功率不像半導(dǎo)體激光器那樣會隨注入電流的變化而發(fā)生突變，因此，LED的P－I特性曲線的線性比較好。右圖示出了LED與LD的P－I特性曲線的比較。LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mA)Pout(mW)1614121086420100200300400LED與LD

的Pout-I

曲線比較半導(dǎo)體光源的脈沖編碼數(shù)字調(diào)制

數(shù)字調(diào)制是用二進制數(shù)字信號“1”和“0”碼對光源發(fā)出的光波進行調(diào)制。數(shù)字信號大都采用脈沖編碼調(diào)制，即先將連續(xù)的模擬信號通過“抽樣”變成一組調(diào)幅的脈沖序列，再經(jīng)過“量化”和“編碼”過程，形成一組等幅度、等寬度的矩形脈沖作為“碼元”，結(jié)果將連續(xù)的模擬信號變成了脈沖編碼數(shù)字信號。然后，再用脈沖編碼數(shù)字信號對光源進行強度調(diào)制，其調(diào)制特性曲線如圖所示。PoutIbID

ttI(a)OPoutIO

t(b)數(shù)字調(diào)制特性

(a)加Ib后LD數(shù)字調(diào)制特性(b)LED數(shù)字調(diào)制特性數(shù)字光通信的優(yōu)點

首先，因為數(shù)字光信號在信道上傳輸過程中引進的噪聲和失真，可采用間接中繼器的方式去掉，故抗干擾能力強；其次，對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的線性要求不高，可充分利用光源（LD）的發(fā)光功率；第三，數(shù)字光通信設(shè)備便于和脈沖編碼電話終端、脈沖編碼數(shù)字彩色電視終端、電子計算機終端相連接，從而組成既能傳輸電話、彩色電視，又能傳輸計算機數(shù)據(jù)的多媒體綜合通信系統(tǒng)。由于數(shù)字光通信的突出優(yōu)點，所以其有很好應(yīng)用的前景。調(diào)制盤調(diào)制調(diào)制盤結(jié)構(gòu)最簡單的調(diào)制盤，有時叫做斬波器，如圖所示。在圓形的板上由透明和不透明相間的扇形區(qū)構(gòu)成。當(dāng)以圓盤中心為軸旋轉(zhuǎn)時，就可以對通過它的光束M進行調(diào)制。經(jīng)調(diào)制后的波形是由光束的截面形狀和大小，以及調(diào)制盤圖形的結(jié)構(gòu)決定。調(diào)制光束的頻率f由調(diào)制盤中透光扇形的個數(shù)N和調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速n決定，f＝Nn/60(Hz)。調(diào)制盤

波形調(diào)制

將入射的光輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡S時間作周期變化的交變光輻射是調(diào)制盤的基本功能之一。所產(chǎn)生交變量的波形不僅與光輻射光束形狀和分布有關(guān)，還與調(diào)制盤(這里主要是斬波器)開口大小和形狀有關(guān)。1.正弦波調(diào)制的產(chǎn)生

在輻射測量中，為與后繼電路很好地配合，提高信號的利用和信噪比，有時希望經(jīng)調(diào)制后入射光輻射功率成為單一頻率的正弦波，其表達式為半圓形斬波器旋轉(zhuǎn)葉片斬波器新月形斬波器

方波調(diào)制的產(chǎn)生

產(chǎn)生正弦調(diào)制的原理設(shè)計比較容易，實際實施卻相當(dāng)困難。在工作中常從方波調(diào)制產(chǎn)生的信號中，用電子學(xué)的方法得到正弦波的信號分量。仍用半圓形斬波器討論，如圖(a)所示。假設(shè)目標像點比斬波器的開口小得多，使探測器輸出波形的前、后沿均十分陡，則當(dāng)像點進入斬波器開口期間，對應(yīng)輸出一個近似矩形的脈沖，如圖(b)所示?？捎孟率奖磉_式中K可為任意整數(shù)?？梢娭灰顸c遠小于斬波器開口尺寸的情況下，都能產(chǎn)生近似的矩形波或方波。如采用電子濾波器濾去一次以上的諧波、只留下基波，則可得到正弦波的信號。

等效正弦調(diào)制

由于正弦調(diào)制不易實現(xiàn)，考慮建立一種調(diào)制裝置，使它對像點光輻射調(diào)制產(chǎn)生周期性變化，其基波的振幅等于一個相同像點的正弦調(diào)制的振幅，再由電子系統(tǒng)濾去諧波．這種調(diào)制與正弦調(diào)制等效，稱為等效正弦調(diào)制。實際系統(tǒng)中常采用扇形齒和開口的斬波器對圓形開孔光輻射進行調(diào)制。此時獲得等效正弦調(diào)制的條件為：

(1)斬波器直徑較之其齒或開口尺寸大很多；

(2)斬波器上二齒和開口尺寸相等；(3)要求輻射圓孔直徑(2R)與斬波器開口寬度(2r）成一定比例，即R/r＝0.8；(4)電子系統(tǒng)的中心頻率選為f=ω／2π，并有適當(dāng)?shù)膸?，式中ω是斬波器的轉(zhuǎn)速；(5)斬波器與圓形像點在同一平面上。像點大小對調(diào)制波形的影響

如圖所示的方齒形斬波器，假定目標像點被圖中扇形光闌所限制，該扇形的曲率中心與斬波器中心重合，扇形孔對中心的張角為θa，斬波器的齒和開口等寬，一對齒口對中心的張角為θt。斬波器以角速度ω按順時針旋轉(zhuǎn)。則根據(jù)θa與θt的相互關(guān)系可以產(chǎn)生以下各種調(diào)制波形。通常只討論到等腰三角波形為止。但各種波形都可按傅立葉級數(shù)進行展開，如用Crms表示基波的均方根轉(zhuǎn)換因子，并引入相對幾何因子θa/θt，則有第三章信號調(diào)制與調(diào)制盤θt/2＞＞θaθt/2＞θaθt/2＝θaθt/2＜θaθt

≤θa

調(diào)制波的形式與特性

1.調(diào)制波設(shè)某交流波的瞬時值a(t)由下式表示式中幅值a0，角頻率ω和初相位φ可以是常量或緩慢變化的量，而Φ是時間為t時信號的相角。當(dāng)a0、ω和φ均為常數(shù)時，該交流波只是一定頻率的簡諧波或稱載波．并無其他更多的信息存在。如果載波中a0、ω和φ因帶有某種信息而發(fā)生變化時，就把該交流波叫做調(diào)制波。載波中某個或幾個參量隨時間按照外界某物理量的規(guī)律發(fā)生變化的過程稱之為調(diào)制。按照所調(diào)制參量的不同，調(diào)制可分為調(diào)幅和調(diào)角兩種形式，而調(diào)角又可分為調(diào)頻與調(diào)相。調(diào)制信號與載波信號相比是慢變化的時間函數(shù)，因此，載波頻譜通常在高頻區(qū)，調(diào)制波頻率則處于相對較低的頻譜區(qū)域。此外，載波的正弦波譜在譜函數(shù)頻率軸上只對應(yīng)一個點，但在載波的一個參量隨時間變化而成為調(diào)制波時，則變成若干個不同頻率的正弦信號的組合，在頻域中則對應(yīng)有一個頻譜存在，其譜結(jié)構(gòu)與調(diào)制信號及類型有關(guān)。按載波的類型不同．調(diào)制方式可分為連續(xù)調(diào)制和脈沖調(diào)制兩類。

2．連續(xù)波調(diào)制用連續(xù)波(如正弦或余弦波)作載波的調(diào)制叫做連續(xù)波調(diào)制，包括調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種方式。

(1)調(diào)幅(AM)。設(shè)調(diào)制信號如圖所示．其中g(shù)(t)為調(diào)制信號，載波為余弦波，頻率為fc。因此調(diào)制波可表示為常將比值M＝k／a0稱為調(diào)制系數(shù)，它表征調(diào)制深度．用百分數(shù)表示。于是通常假定g(t)的極大值|gmax(t)|≤1，M必須滿足0<M<l的條件。否則，便會出現(xiàn)過調(diào)制現(xiàn)象，即輔加調(diào)相現(xiàn)象，這是所不希望的。在正常調(diào)幅情況下，載波信號的幅值隨調(diào)制信號的變化而變化，A(t)＝a0+kg(t)，即載波信號的包絡(luò)按被傳輸信號的規(guī)律變化，在提取有用信號時，采用包絡(luò)解調(diào)法即可解出。

調(diào)制的情況如圖所示，圖(b)為調(diào)幅波的頻譜。可見在調(diào)幅過程中并不產(chǎn)生新的頻譜，而只把調(diào)制信號的頻譜從原點附近移到載波譜線附近。在調(diào)幅波中，載波不能傳送有用信號，只有邊頻才能傳送。在100％調(diào)制的條件下，調(diào)制波總功率中只有l(wèi)/3被用來傳送有用信號，能量利用率較低，這是調(diào)幅的主要缺點之一。在大信噪比輸入調(diào)幅的情況下，調(diào)幅系統(tǒng)的輸出噪聲平均功率等于輸入噪聲平均功率，輸出功率信噪比將比輸入功率信噪比高一倍，所以調(diào)幅系統(tǒng)具有電壓信噪比3dB的增益。在小信噪比輸入情況下，當(dāng)輸入信噪比在某一臨界值以下時，有用信號將消失在噪聲中，檢測效能急劇變壞，這種現(xiàn)象叫做門限效應(yīng)。該效應(yīng)限制了系統(tǒng)對微弱信號的探測能力。

(2)調(diào)角。載波信號的相角按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制叫做調(diào)角。調(diào)角波可表示為調(diào)角有兩種情況，一為調(diào)相(PM)，一為調(diào)頻(FM)。

調(diào)相時，載波相位在變化，即則調(diào)相波的瞬時頻率fi為可見，調(diào)相時調(diào)制波的相位在變化，它的頻率也在變化。

調(diào)頻時，載波瞬時頻率在變化，即而故則可見，調(diào)頻時不僅載波的頻率變化，其位相也變化。由上可見，兩種調(diào)角方式時的頻率和相位都發(fā)生變化，頻率與相位的變化有著密切的關(guān)系。調(diào)頻與調(diào)相雖然調(diào)制方式不同，實質(zhì)上卻有共同之處。調(diào)頻波的基本特征是載波信號幅度保持不變，信號頻率隨調(diào)制信號的大小而變化，也就是說所傳送的信息反映在高頻載波的頻率變化上。不論什么形式的調(diào)制信號，都可視為各種不同頻率正弦波的疊加。

3.脈沖調(diào)制

用脈沖串作載波的調(diào)制叫做脈沖調(diào)制。也就是用低頻調(diào)制信號去調(diào)制脈沖串，使它的某些參量隨低頻調(diào)制信號的變化而變化。脈沖調(diào)制的類型如圖所示，主要有脈沖調(diào)幅、脈沖調(diào)寬、脈沖調(diào)位(脈沖調(diào)相或脈沖時間調(diào)制)等形式。將周期性重復(fù)的脈沖幅度按調(diào)制信號規(guī)律來變化的過程叫脈沖調(diào)幅(PAM)。如此形成的調(diào)制脈沖串叫做脈沖調(diào)制波。脈沖串載波的表示式為調(diào)制信號載波脈沖串脈沖調(diào)幅脈沖調(diào)寬脈沖調(diào)位

則脈沖調(diào)制波對應(yīng)頻譜為

可見脈沖調(diào)幅頻譜除載波及其上、下邊頻外，還有載波的各次諧波以及這些諧波的上、下邊頻組成。由于脈沖調(diào)幅波的頻譜包含有調(diào)制頻率的分量，因此解調(diào)時只需將脈沖調(diào)幅波通過一個通帶為(0，F(xiàn))的低通濾波器，即可將原信息還原。為消除解調(diào)信號的非線性失真，所選脈沖重復(fù)頻率必須大于調(diào)制頻率的二倍，即fp=l/T>2F。脈沖調(diào)幅波及其頻譜如圖所示。有關(guān)參量及其關(guān)系在圖中明確可見。

脈沖調(diào)制波的解調(diào)對信號和噪聲的作用是相同的，所以這種檢測系統(tǒng)的信噪比增益為零分貝。由于傳輸帶寬為F，只有連續(xù)波調(diào)幅帶寬(2F)的一半，所以輸入信噪比是連續(xù)調(diào)幅系統(tǒng)的兩倍，而這兩種系統(tǒng)的輸出信噪比卻相同。

脈沖調(diào)寬波形如下左圖所示。其頻譜與脈沖調(diào)幅頻譜大致相似，只是組合頻率更加復(fù)雜。頻譜中包含有直流分量、調(diào)制頻率分量、載波及其高次諧波分量。解調(diào)時可通過低頻濾波器，直接分離出低頻調(diào)制信號。

脈沖調(diào)位(PPM)是用脈沖串載波的脈沖位置參量來傳輸信息。脈沖調(diào)位波形如下右圖所示。以A為基準脈沖，脈沖B與A相隔時間T0，如按某一規(guī)律改變T的大小，則脈沖B對A來講是位置被調(diào)制的脈沖。一般將A稱之為參考脈沖，B稱之為可移脈沖。

綜上，無論是在大信噪比還是小信噪比的情況下，調(diào)頻系統(tǒng)的信噪比都高于調(diào)幅系統(tǒng)。在大信噪比輸入時，采用寬帶調(diào)頻的信噪比增益更高。調(diào)頻系統(tǒng)的能量利用率也高于調(diào)幅系統(tǒng)，說明調(diào)頻系統(tǒng)的抗干擾能力，或稱檢測弱信號的能力優(yōu)于調(diào)幅系統(tǒng)。但調(diào)幅波的信號處理系統(tǒng)要比調(diào)頻系統(tǒng)簡單、可靠。脈沖調(diào)寬和調(diào)位的抗干擾能力優(yōu)于脈沖調(diào)幅，但脈沖調(diào)位的解調(diào)方法要復(fù)雜得多。脈沖調(diào)幅與連續(xù)波調(diào)幅相比，信噪比增益低于后者。在設(shè)計調(diào)制系統(tǒng)時，應(yīng)按使用要求和各種調(diào)制信號的特點來選擇系統(tǒng)調(diào)制信號的形式。

調(diào)制盤的工作原理及結(jié)構(gòu)目標偏移量的表示在跟蹤和瞄準系統(tǒng)中，利用調(diào)制獲得的誤差信號反映了待測目標的偏移量(或位置)的信息。因此首先必須明確偏移量的表示方法。下圖所示為光學(xué)瞄準系統(tǒng)中物像間關(guān)系。當(dāng)目標距系統(tǒng)的距離遠大于物鏡焦距時，目標像將成在物鏡的焦平面上。從像面上看，目標離軸的偏離量可用極坐標的ρ和θ來表示。也可以用Δq和θ來表示。其反映了目標偏離光軸量的大小和方位。

調(diào)制盤的作用將靜止目標像調(diào)制成交流信號以抑制噪聲和光源波動的影響，提高系統(tǒng)的檢測能力進行空間濾波，抑制背景噪聲提供目標的方位空間

調(diào)幅式調(diào)制的實現(xiàn)1、日升式調(diào)制盤為說明調(diào)制盤如何將目標像點的位置轉(zhuǎn)化成可用信息，以及如何進行空問濾渡，首先討論其基本工作原理。日升式調(diào)制盤如圖所示。上半圓為目標調(diào)制區(qū)，由透與不透輻射的扇形條相間組成，下半圓制成半透明區(qū)。對目標進行調(diào)制時．應(yīng)將調(diào)制盤放在物鏡焦面(像面)上，并使調(diào)制盤中心o與光軸重合。由圖可知透過通量φ的大小表征了目標失調(diào)角△q的大小。當(dāng)調(diào)制盤按順時針旋轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生調(diào)制信號的幅度a0將對應(yīng)透過通量，也就反映了失調(diào)角的大小，或者說目標偏離量的大小。

該調(diào)制盤在設(shè)計時的一個明顯特點是有明顯的分界線ox，可以用ox軸作為起始方位的零線，從而獲得所需要的方位信息。相對零線的目標方位角θ可在所獲得的調(diào)制波中找出。所用調(diào)制盤及其產(chǎn)生的波形如圖所示。實線為調(diào)制波的實際信號波形，虛線是調(diào)制波的包絡(luò)，上部點劃線表示基準信號。調(diào)制包絡(luò)與基準信號間的相位角，即初相角就是目標偏離ox軸的方位角θ。當(dāng)目標點落在調(diào)制盤的A點和B點上時，對應(yīng)的方位角分別為θA和θB。這樣通過日升式調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)對目標像點光束的調(diào)制，獲得了失調(diào)角△q和方位角θ的信息，從面得到目標的位置。通過光電轉(zhuǎn)換、電路處理就可獲得誤差信號，即修正系統(tǒng)的信號。

2、棋盤格式調(diào)幅調(diào)制盤

由于采用調(diào)制盤的光電系統(tǒng)要保證一定的視場，就不可避免地引入背景輻射干擾，如地物、云層的輻射和太陽光反射等。所采用的調(diào)制盤應(yīng)能盡可能多地抑制這些背景干擾，以提高探測的信噪比。上述背景的特點通常具有較目標大得多的輻射面積，因此在上述調(diào)制盤上所成的像會復(fù)蓋若干個扇形條，如圖所示的像點B。如果像點總能量為F0。則此時透過的能量接近F0/2，在下半圓內(nèi)透過率仍然為F0/2，這樣大面積的輻射不會形成有用信號的輸出，從而抑制了大面積背景的干擾，這就是調(diào)制盤的空間濾波原理。但當(dāng)背景的輻射面積較小且又成像于調(diào)制盤邊緣時，仍會產(chǎn)生調(diào)制信號，如下左圖右半部所示。為提高抗干擾能力．可將邊緣部分再行徑向分格，以減小透輻射與不透輻射區(qū)的面積，邊緣形成了棋盤格，如圖中左上半部分所示。為進一步消除背景干擾采用了等面積的徑向分格原則。實用的棋盤格式調(diào)制盤如下右圖所示。與日升式調(diào)制盤相比除采用了棋盤格外，為使制作工藝簡便，半透區(qū)采用由寬度和間距相等的不透輻射同心半圓線組成，且要求線寬度比目標像點的線度窄得多。實用棋盤格調(diào)幅式調(diào)制盤調(diào)頻型調(diào)制的實現(xiàn)它由四個同心環(huán)帶組成，各環(huán)帶所分的格子數(shù)不同，由內(nèi)向外每增一個環(huán)帶其格子數(shù)增加一倍，只要目標像偏離該調(diào)制盤的中心，盤轉(zhuǎn)動時就將產(chǎn)生調(diào)制信號。從調(diào)制信號的頻率不同就可得知目標像所處調(diào)制盤上的位置，就可獲得偏離量的大小。上圖的調(diào)制盤不能反映目標所在的方位信息。為此設(shè)計了另一種調(diào)頻式調(diào)制盤，如圖所示。它有這樣的特點，從中心向外每個環(huán)帶所分格子數(shù)成倍增加，而在每個環(huán)帶中透光格子的密度不均勻，其規(guī)律是按正弦關(guān)系分配。調(diào)制盤按順時針方向旋轉(zhuǎn)時，對應(yīng)目標所處環(huán)帶不同將輸出不同頻率的信號，各環(huán)帶在每一周期中產(chǎn)生的脈沖信號的脈寬分布又是按正弦變化，如圖所示。則有式中，F(xiàn)(t)為所獲調(diào)制波函數(shù)；F0為目標像點通量對應(yīng)的幅值；ω為對應(yīng)目標像所在環(huán)帶，當(dāng)格子按均勻分布時的載波角頻率；M為目標像所在環(huán)帶的調(diào)制系數(shù)；Ω調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)頻率；θ0為目標像點的方位角。脈沖信號調(diào)相型調(diào)制的實現(xiàn)下圖所示是一種可用于實現(xiàn)調(diào)相的調(diào)制盤。它將圓盤分為兩個區(qū)域，每個區(qū)域中都采用日升式調(diào)制圖案，兩區(qū)相位相差π。當(dāng)目標像落在內(nèi)圈、外圈及兩區(qū)邊界上時，將產(chǎn)生如圖所示的調(diào)制波形，通過鑒相電路就可解調(diào)出目標的偏離信號，但不能反映偏離的方位角。調(diào)相式調(diào)制盤

調(diào)制波形

器件調(diào)制電光效應(yīng)

當(dāng)晶體受電壓作用時，晶體的折射率會發(fā)生變化，引起通過晶體的光波特性發(fā)生變化，稱晶體的電光效應(yīng)。當(dāng)晶體的折射率與外加電場幅度成線性變化時，稱為線性電光效應(yīng)，即泡克耳斯效應(yīng)。當(dāng)晶體的折射率與外加電場幅度的平方成比例變化時，稱為非線性電光效應(yīng)，即克爾效應(yīng)。電光調(diào)制器主要利用晶體的泡克耳斯效應(yīng)。橫向調(diào)制和縱向調(diào)制不給克爾盒加電壓時，克爾盒中的介質(zhì)是透明的，對P、Q兩個偏振片沒有影響；當(dāng)對克爾盒外加電壓時，介質(zhì)的光軸平行于電場。此時通過它的平面偏振光將使Q有光輸出，其輸出光強的大小與盒內(nèi)介質(zhì)的性質(zhì)、幾何尺寸、外加電壓有關(guān)，從而形成光調(diào)制。有克爾效應(yīng)的克爾盒有泡克爾斯效應(yīng)的泡克爾斯盒（縱調(diào)）電光調(diào)相

外加電場不改變傳輸光的偏振態(tài)，而只改變光的相位。相位調(diào)制因子與所加電壓成正比。聲光效應(yīng)

超聲波是縱向波，它在聲光介質(zhì)中傳輸時會引起介質(zhì)密度發(fā)生疏密交替的變化，使介質(zhì)的折射率發(fā)生相應(yīng)變化。光波通過此介質(zhì)時，光的強度、頻率等均會隨超聲場變化，此稱為聲光效應(yīng)。受超聲波作用的晶體相當(dāng)于一個衍射光柵，光柵的條紋間隔等于聲波波長。聲光調(diào)制器

主要組成：聲光介質(zhì)、電聲換能器、驅(qū)動電源、吸聲（或反射）裝置、耦合介質(zhì)。

工作原理：調(diào)制電信號通過換能器轉(zhuǎn)換為超聲波，使聲光介質(zhì)的折射率產(chǎn)生隨時間交替，光通過它時，聲致光衍射使出射光具有隨時間周期變化的光程差，即調(diào)制光波。喇曼-奈斯型聲光調(diào)制器調(diào)制器的工作原理如圖所示，多級衍射，對稱分布，適合振幅較大的低頻彈性波。工作聲源頻率低于10MHz。只限于低頻工作，帶寬較小。入射光

衍射光

調(diào)制信號喇曼-奈斯型聲光調(diào)制器衍射光調(diào)制信號入射光聲光調(diào)制器布喇格型布喇格型聲光調(diào)制器布喇格型聲光調(diào)制器工作原理如圖所示。光強集中于第零級或一級上，衍射光強分布不均勻，適于振幅較小的高頻彈性波。效率高，調(diào)制帶寬寬。磁光效應(yīng)：在磁場作用下，光波的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

磁光調(diào)制：平行于光波傳播的磁場H，光波電場的偏振方向旋轉(zhuǎn)角度與H及材料長度成正比。磁光調(diào)制主要是應(yīng)用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)：式中V為費爾德系數(shù)，H為沿光束傳播方向的磁場強度，L為光在介質(zhì)中的傳播長度。磁光調(diào)制是旋光現(xiàn)象測量的主要手段，在現(xiàn)代光通信中也常用其作為光隔離器使用。調(diào)制信號的解調(diào)從已調(diào)制信號中分離提取出有用信息的過程稱作解調(diào)或檢波，實現(xiàn)解調(diào)作用的裝置是解調(diào)器。解調(diào)或檢波是信號調(diào)制的相反過程。在時域分析中，調(diào)制是將有用信息及其時間變化載荷到載波的特征參量之上，而解調(diào)則是從這些調(diào)制了的特征參量上再現(xiàn)出有用信息。從頻域分析的角度，調(diào)制是將信號的頻譜向以載波頻率為中心頻率的高頻方向變換，而解調(diào)則是將變換了的頻譜分布復(fù)原或反變換為初始的信號頻譜分布。

不同的調(diào)制信號有不同的解調(diào)方法。直線律檢波和調(diào)幅信號的解調(diào)解調(diào)是信號變換的非線性過程，需要利用非線性元件來實現(xiàn)。光載波的調(diào)幅信號通過光電變換后的隔直處理，通常具有包絡(luò)線對稱的雙極性性質(zhì)。為得到單邊包絡(luò)線，再現(xiàn)調(diào)制信號，最適合于采用具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管檢波器。圖a是檢波二極管的伏安特性和基本電路。這是一種典型的單向?qū)щ娞匦?。對于正極性信號幅度較大（1V或更大）的情況，伏安特性可看作是通過原點的理想直線，其輸出信號和輸入信號成正比。工作于大幅度信號輸入狀態(tài)下的檢波稱作直線律檢波。單向?qū)щ娞匦钥杀硎緸?/p>

U0＝KDUi

Ui＞0

0

Ui≤0式中，U0、Ui表示輸出和輸入信號，KD為比例因子。

假設(shè)按正弦規(guī)律調(diào)幅的光載波信號經(jīng)光電變換及隔直處理后具有形式Ui＝(1＋msinΩt)sinωt代入U0式，并做傅里葉級數(shù)展開，得由式可見，輸出信號中除{}括號中的第二項是低頻信號，是希望提取的調(diào)制信號之外，其余各項都是高頻項，并且高頻幅值逐次衰減。頻譜圖如圖b所示。當(dāng)Ω<<ω時，利用低通濾波器濾除高頻分量即可得到有用的信號波形為

Uo＝KD(2/π)(1＋msinΩt)

檢波器的輸出信號和輸入信號的包絡(luò)線成正比例，實現(xiàn)了調(diào)幅波的解調(diào)。相敏檢波和調(diào)相信號的解調(diào)相敏檢波的兩種工作特性a)鑒相整流

b)極性檢波對于相位調(diào)制的載波信號，載波和參考信號間的相位差隨被測信息改變。這種信號的解調(diào)采用相敏檢波，這時檢波器的輸出電壓應(yīng)能反映出調(diào)制相位的變化。解調(diào)器的輸出特性如圖a所示。在有些測量場合，常常不僅要求檢測變量變化的大小而且希望確定變化的方向或極性。對這種有極性變量的調(diào)制，通常可用載波的幅度大小表示變量的數(shù)值而用載波信號和參考信號的相位差是同相或反相表示變量的極性，這稱作極性檢波。顯然處理這種調(diào)幅信號也需要有對極性敏感的解調(diào)方法。這種解調(diào)器的輸出特性具有圖b的形式。上述兩種不僅能檢測出調(diào)制信號的幅度，而且能確定載波相位數(shù)值的解調(diào)稱作相敏檢波或鑒相解調(diào)。相敏檢波器乘積檢波原理框圖示于上圖，它由解調(diào)器和低通濾波器串聯(lián)而成。這里，解調(diào)器被看成是已調(diào)制信號Ui和參考信號UL間的模擬乘法器，所以稱作乘積檢波。

設(shè)載波受單一頻率余弦波調(diào)幅。調(diào)幅信號Ui為相敏檢波器的工作原理如圖所示。它是由模擬乘法器和低通濾波器