改光學信號的調制

1.光載波的特征參數(shù)

－－人眼和探測器起作用的是光波的電場強度振幅頻率相位特征參數(shù)：－－光強、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······

光的強度（輻通量密度）－－光強是使用最為廣泛的特征參數(shù)目前一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點2.調制：一次調制和二次調制

光學調制是指改變光載波的一個或者幾個特征參數(shù)的過程。特征參數(shù)：－－光強、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······一次調制二次調制

廣義的光學調制目前二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點例1.衛(wèi)星遙感農(nóng)作物產(chǎn)量－－地面植物反射太陽光的光譜，生長狀況信息將信息直接加載到光載波上的調制，稱為一次調制目前三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點例2光纖通信系統(tǒng)－－將聲音、圖像信息加載到光波上

人為地按確定的規(guī)律變換載波信號，稱為二次調制目前四頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點－－脈沖調制將信息加載到光波上？

人為地按確定的規(guī)律變換載波信號，稱為二次調制例3：激光脈沖測距主波回波目前五頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點例4：利用調制光測量液體濃度液體濃度（信息）對光強參數(shù)的調制一次調制調制盤（確定時間規(guī)律）對光強參數(shù)的調制為二次調制目前六頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點3.二次調制的意義？？？聲音、圖像－－加載信息抑制干擾－－改善品質目前七頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點第09章光學信號的調制9.2光信號調制的基本原理9.3光信號調制的基本方法9.4調制信號的解調9.1光信號調制的概述目前八頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.2光信號調制的基本原理9.2.1模擬調制9.2.2脈沖調制9.2.3編碼調制目前九頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.2.1模擬調制振幅調制(AM)頻率調制(FM)光強調制目前十頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點1.振幅調制(AM)載波調制波調幅波目前十一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點討論：調制指數(shù)m對調幅波形的影響目前十二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點目前十三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點m>1稱為過量調幅，包絡形狀與調制信號嚴重失真目前十四頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點調幅波頻譜信息“頻率”載波“頻率”調幅波帶寬B=2F目前十五頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點調幅波頻譜：啟動虛擬儀器LabVIEW8.6仿真信號單一頻率調制信號目前十六頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點調幅波頻譜：啟動虛擬儀器LabVIEW8.6仿真信號多個頻率調制信號目前十七頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點2.光強調制－－光強是使用最為廣泛的特征參數(shù)目前十八頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點除非對光源直接調制，一般強度調制都是衰減調制，考慮經(jīng)過光強調制以后不易失真，則平均光強選在I0/2。目前十九頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點頻譜分析這兩項雖包含信息項，但能量過低，其高頻特性可通過平方津探測器和第兩項一起濾掉目前二十頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點3.頻率調制(FM)調頻波調制信號頻率調制：載波的頻率變化－－信息目前二十一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點頻率調制指數(shù)對瞬時角頻率在時間上積分得到相角，正如對瞬時速度在時間上積分得到距離一樣頻偏：頻偏與調制信號頻率無關，與其幅度成正比，這是調頻波的基本特征瞬時角頻率瞬時角頻率變化范圍頻率調制實質上就是相位調制目前二十二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點調制指數(shù)m對調頻波形的影響啟動虛擬儀器LabVIEW8.6仿真信號目前二十三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點調制指數(shù)m對調頻波形的影響啟動虛擬儀器LabVIEW8.6仿真信號目前二十四頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點B=2(1+mf)F調頻波的頻譜由載頻ω0和無數(shù)對邊頻(ω0±nΩ)組成調頻波的另一特征：調頻波有效帶寬隨調制信號振幅增大而變寬，但與調制信號的頻率基本無關根據(jù)對信號失真要求的不同，調頻波有效頻寬不同，一般取目前二十五頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.2.2脈沖調制原始脈沖波形脈沖幅度調制脈沖頻率調制脈沖寬度調制應用：－－激光測距、目標跟蹤與識別等······目前二十六頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.2.3編碼調制抽樣量化編碼把模擬信號先變成脈沖序列，再變成代表信號信息的二進制編碼，然后對載波進行強度調制。模擬量4，8，……0100，1000，……脈沖量數(shù)字信號目前二十七頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點第9章光學信號的調制9.2光信號調制的基本原理9.3光信號調制的基本方法9.4調制信號的解調9.1光信號調制的概述目前二十八頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.3光信號調制的基本方法可調參數(shù)：－－光強、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······9.3.2光信號相位的調制9.3.1光信號強度的調制9.3.3光信號頻率的調制9.3.4光信號偏振的調制目前二十九頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.3.1光信號強度的調制可實現(xiàn)強度調制典型的方法2.機電調制3.光電子調制1.輻射源調制

目前三十頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點1.輻射源調制1)半導體激光器調制--改變輸入電流來實現(xiàn)光強度的調制2．發(fā)光二極管調制－－調制頻率40GHz－－調制頻率100MHz－中短距離光電測距－光通信，······目前三十一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點摘自國家精品課程《光纖通信技術》--深圳職業(yè)技術學院制作摘自國家精品課程《光纖通信技術》--深圳職業(yè)技術學院制作目前三十二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.3.1光信號強度的調制可實現(xiàn)強度調制典型的方法2.機電調制3.光電子調制1.輻射源調制

目前三十三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點1)調制盤調制2)光柵莫爾條紋調制2.機電調制目前三十四頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點1)調制盤調制調制盤是一種典型的光強度調制器應用：－－紅外被動制導系統(tǒng)、紅外跟蹤系統(tǒng)－－激光波束制導，······目前三十五頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點最基本的作用：恒定的輻通量－－周期性輻通量a用調制盤抑制背景噪聲b用調制盤進行空間濾波c用調制盤確定目標方位目前三十六頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點a.用調制盤抑制背景噪聲有源帶通濾波器目前三十七頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點b.用調制盤進行空間濾波目標輻射背景輻射目標輻射背景輻射調制盤利用目標和背景相對于系統(tǒng)的張角不同，調制盤可以抑制背景以突出目標，從而把目標從背景中分離出來－－空間濾波目前三十八頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點中國轟-6型戰(zhàn)略轟炸機巡航南沙2007,05,09

目標小張角背景大張角b.用調制盤進行空間濾波目前三十九頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點空間濾波分析：初升太陽調制盤小張角目標調制圖大張角背景調制圖b.用調制盤進行空間濾波目前四十頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點c.用調制盤確定目標方位目標方位：目標M'（ρ?，θ'）像點M（ρ，θ）目前四十一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點目標方位：像點M（ρ，θ）調制信號幅度－－ρ目前四十二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點調制信號初相位－－θ

目前四十三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點調制信號初相位－－θ

目前四十四頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點目標像初相位－－θ

目前四十五頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點2)光柵調制光柵是具有周期性空間結構或光學性能（如透射率、反射率等）的光學元件。計量光柵（空間周期P>>λ）

衍射光柵（空間周期P≈λ）

目前四十六頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點－－光柵莫爾條紋典型的計量光柵結構：小夾角主光柵--定光柵指示光柵--動光柵θ=20’，k=172倍目前四十七頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點結構：目前四十八頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點xΦ光柵莫爾條紋原理：光通量明暗交替變化兩光柵移動，莫爾條紋移動光柵位移信息－－光強信號目前四十九頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點原理：光柵位移信息－－光強信號xΦx＝NP+△x目前五十頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點應用舉例：精密數(shù)控位移臺--光柵線位移傳感器測量范圍：0-100mm；0-3000mm分辨率：10、5、1、0.5、0.1μm主光柵--定光柵指示光柵--動光柵刻線密度---測量精度(10、25、50、100、125線/mm)目前五十一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.3.1光信號強度的調制可實現(xiàn)強度調制典型的方法2.機電調制3.光電子調制1.輻射源調制

目前五十二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點3.光電子調制1）電光調制2）聲光調制0基本概念目前五十三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點0基本概念－－某些晶體（固體或液體）在外加電場中，隨著電場強度的改變，晶體的折射率會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(1)電光效應U－施加在電光晶體上的電壓Uπ－半波電壓r－電光系數(shù)單軸晶體——雙軸晶體目前五十四頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點目前五十五頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點偏振片(2)偏振元件－偏振片若入射的是自然光－－起偏器目前五十六頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點若入射的是線偏光－檢偏器偏振片目前五十七頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點線偏光經(jīng)過1/4波片(3)1/4波片目前五十八頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點1）電光調制電光調制器－－是指利用晶體的電光效應制成的調制器調制頻率～10GHz，理論上可達120GHz－－某些晶體（固體或液體）在外加電場中，隨著電場強度的改變，晶體的折射率會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應目前五十九頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點光強度調制基本思路：電光調制器輸入光（恒定強度）輸出光（交變強度）變化的電場（～10GHz）目前六十頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點未加電場已加電場輸出光為零輸出光不為零目前六十一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點已加電場線性好目前六十二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點已加電場1/4波片也能實現(xiàn)x’，y’方向相位相差π/2目前六十三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點2）聲光調制(1)聲光效應(2)聲光效應的兩種類型(3)聲光調制器目前六十四頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點(1)聲光效應當聲波在介質中傳播時，會引起介質密度（折射率）發(fā)生疏密交替的周期性變化－－聲光柵行波（吸聲層）聲光柵柵面在空間移動波長1/2λs與光束比較，幾乎靜止駐波（聲反射層）聲光柵固定不移動波長1/2λs

目前六十五頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點－－聲光柵－－衍射光柵當光波通過聲光柵時，衍射光的強度、頻率、方向等隨超聲場變化－－聲光效應。目前六十六頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：條件：超聲波頻率較低，聲光作用長度L較小，光束垂直聲波傳輸方向條件：超聲波頻率較高、聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射(2)聲光效應的兩種類型目前六十七頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：特點：平面光柵，多級衍射，零級光最強，其他級衍射光對稱地分布在零級光兩側，光強依次遞減。特點：體光柵，只出現(xiàn)零級和一級衍射光。目前六十八頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：布拉格聲光衍射光能利用率高，因而大部分光強調制器均采用布拉格型聲光調制器！目前六十九頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點(3)聲光調制器－－衍射光強度調制布拉格型聲光調制器IiI1Ps為超聲波功率目前七十頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.3光信號調制的基本方法可調參數(shù)：－－光強、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······9.3.2光信號相位的調制9.3.1光信號強度的調制9.3.3光信號頻率的調制9.3.4光信號偏振的調制目前七十一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點電光相位調制交變電場在某一感應軸上產(chǎn)生交變折射率變化，從而使該感應軸方向的偏振光在通過晶體后，其相位也交變變化－－可以實現(xiàn)對單束相干光波相位的調制9.3.2光信號相位的調制目前七十二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點－－可以實現(xiàn)兩束以上相干光波相位差的調制相位調制的作用該光路光束相位被調制，從而雙光束干涉條紋的運動（光纖馬赫澤德干涉儀）馬赫－澤德干涉儀目前七十三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.3光信號調制的基本方法可調參數(shù)：－－光強、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······9.3.2光信號相位的調制9.3.1光信號強度的調制9.3.3光信號頻率的調制9.3.4光信號偏振的調制目前七十四頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點工程上常采用的頻率調制技術大致三種：運動參量調頻固定頻移直接光頻調制可調參數(shù)：－－光強、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······目前七十五頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點1）光學多普勒效應和運動差頻運動物體能改變入射于其上的光波頻率的現(xiàn)象稱作光學多普勒效應。頻移：多普勒效應1.運動參量調頻目前七十六頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點2）薩格納克效應和轉動差頻當封閉的光路相對于慣性空間有一轉動角速度Ω時，順時針光路和逆時針光路之間將形成與轉速成正比的光程差ΔL，這種現(xiàn)象稱為薩納克效應，其數(shù)值滿足關系

ΔL＝(4A/c)ΩΩA為光路包圍的面積目前七十七頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點反射鏡組成激光諧振腔--環(huán)形激光器

由nλ=L推得頻率與腔長的關系：目前七十八頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點環(huán)形激光器光學差頻檢測裝置激光陀螺--測角速度--測角度國產(chǎn)激光陀螺測量角速度的精度優(yōu)于0.01o/小時目前七十九頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點環(huán)形激光器光學差頻檢測裝置激光陀螺--測角速度--測角度國產(chǎn)激光陀螺測量角速度的精度優(yōu)于0.01o/hr目前八十頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.3.3光信號頻率的調制工程上常采用的頻率調制技術大致三種：運動參量調頻固定頻移直接光頻調制可調參數(shù)：－－光強、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······目前八十一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點2.固定頻移利用光學和光電子學等方法可制成頻率偏移器件目前八十二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點塞曼效應激光頻移：利用永久磁鐵或螺線管在He-Ne激光器中形成軸向磁場，它使單模激光分裂成左右圓偏振的兩個分量。二偏振光存在頻差，數(shù)值取決于外加磁場的強度和諧振腔的品質因數(shù)。目前八十三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點旋轉波片激光頻移：線偏振激光通過λ/4波片1后輸出圓偏振光。再通過以角頻率Ω旋轉的半波片和固定的λ/4波片2，所輸出的偏振光可得到2Ω的角頻移。目前八十四頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點聲光效應激光頻移：在聲光器件中以頻率為f的交變信號激勵換能器，在透明介質內形成折射率的周期變化。當激光平行入射到介質內將產(chǎn)生0級和±1級衍射光。一級衍射光與零級衍射光頻率相差±f，可分別作為參考光和信號光。目前八十五頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點旋轉光柵激光頻移：激光由透鏡聚焦在光柵盤的刻線上，透射光被分作0級和±1級衍射光。光柵盤由電動機帶動旋轉，若光柵上光點處的線速度為υ，光柵刻線間距為d，則±1級衍射光將發(fā)生f=±υ/d的頻移。目前八十六頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點塞曼效應：2～3MHz

幾種方法的頻移對比：聲光效應：～100MHz，變換效率80％

旋轉波片：2～3kHz，變換效率90％

旋轉光柵：～20MHz，變換頻率20％

目前八十七頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點旋轉波片激光頻移

頻移受限在2～3kHz以下目前八十八頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點

λ/4波片：

λ/2波片：

線偏振激光通過λ/4波片1后輸出圓偏振光

λ/4波片光軸

P線偏振激光矢量-450

線偏振激光通過半波片后輸出偏振面轉過2θ角度θ

半波片光軸θθ目前八十九頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點

半波片光軸

θ

半波片光軸θ圓偏振光ω以ω旋轉線偏振光ωθωθωθθω角頻率Ω旋轉半波片，輸出圓偏振光頻率ω+2Ω或ω-2Ω線偏振激光通過半波片后輸出偏振面轉過2θ角度目前九十頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點ω線偏振激光ω圓偏振光ω+2Ω或ω-2Ω圓偏振光ω+2Ω或ω-2Ω線偏振光正向逆向目前九十一頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.3.3光信號頻率的調制工程上常采用的頻率調制技術大致三種：運動參量調頻固定頻移直接光頻調制可調參數(shù)：－－光強、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······目前九十二頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點半導體激光器的直接頻率調制iv1MHz～50－70GHz電流頻率調制系數(shù):0.1GHz/mA～1GHz/mA可調頻范圍:可以證明：LD目前九十三頁\總數(shù)一百零三頁\編于十四點9.3光信號調制的基本方法可調參數(shù)：－－光強、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方