光電技術(shù)第7章3節(jié)

1、l7.5.1 7.5.1 光輻射的調(diào)制的基本原理與類型光輻射的調(diào)制的基本原理與類型 1. 1. 光輻射調(diào)制的原因光輻射調(diào)制的原因（1 1）使有用光信號與雜散光等區(qū)別開來，光信號應(yīng)以某一頻率）使有用光信號與雜散光等區(qū)別開來，光信號應(yīng)以某一頻率變化。變化。（2 2）采用調(diào)制檢測可消除探測器暗電流的影響。）采用調(diào)制檢測可消除探測器暗電流的影響。（3 3）交流放大器穩(wěn)定性好，零漂小，受電源電壓波動、溫度和）交流放大器穩(wěn)定性好，零漂小，受電源電壓波動、溫度和老化的影響較小。若和光信號的調(diào)制特性相匹配，采用選頻放大老化的影響較小。若和光信號的調(diào)制特性相匹配，采用選頻放大器或鎖相放大等技術(shù)方案，可有效抑制噪

2、聲，從而實(shí)現(xiàn)高精度的器或鎖相放大等技術(shù)方案，可有效抑制噪聲，從而實(shí)現(xiàn)高精度的檢測。檢測。光輻射的調(diào)制是使光信號的一個或幾個特征參量按被傳送信息光輻射的調(diào)制是使光信號的一個或幾個特征參量按被傳送信息的特征變化，以實(shí)現(xiàn)信息檢測傳送的方法。的特征變化，以實(shí)現(xiàn)信息檢測傳送的方法。l2. 2. 光電信息調(diào)制的分類光電信息調(diào)制的分類 在輻射源或光路系統(tǒng)中在輻射源或光路系統(tǒng)中進(jìn)行光通量調(diào)制的裝置稱為調(diào)制器進(jìn)行光通量調(diào)制的裝置稱為調(diào)制器。從已調(diào)制信號中分離并提取出有用的信息，即恢復(fù)原始信息的過程從已調(diào)制信號中分離并提取出有用的信息，即恢復(fù)原始信息的過程稱為稱為解調(diào)解調(diào)。 根據(jù)調(diào)制器與激光器的關(guān)系分為根據(jù)調(diào)制器

3、與激光器的關(guān)系分為：內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）與外調(diào)制：內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）與外調(diào)制內(nèi)調(diào)制：內(nèi)調(diào)制：是指加載信號是在激光振蕩過程中進(jìn)行的，以調(diào)制信號是指加載信號是在激光振蕩過程中進(jìn)行的，以調(diào)制信號改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器的輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器的輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。外調(diào)制外調(diào)制：是在光傳播過程中進(jìn)行調(diào)制，常用各種調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)。：是在光傳播過程中進(jìn)行調(diào)制，常用各種調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)。是用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理性能，當(dāng)激光束通過調(diào)制器時，是用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理性能，當(dāng)激光束通過調(diào)制器時，使光波的某個參量受到調(diào)制。使光波的某個參量受到調(diào)制。按調(diào)制性質(zhì)分為：按調(diào)制

4、性質(zhì)分為： 模擬調(diào)制模擬調(diào)制（調(diào)幅、（調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相（調(diào)角）調(diào)頻和調(diào)相（調(diào)角）、）、脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制（調(diào)幅、調(diào)寬、調(diào)頻和調(diào)位（脈沖調(diào)相或脈沖時間調(diào)制）（調(diào)幅、調(diào)寬、調(diào)頻和調(diào)位（脈沖調(diào)相或脈沖時間調(diào)制）和和數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制光學(xué)調(diào)制按時空狀態(tài)和載波性質(zhì)可分為以下幾種類型：光學(xué)調(diào)制按時空狀態(tài)和載波性質(zhì)可分為以下幾種類型： （1 1）按時空狀態(tài)分類）按時空狀態(tài)分類 時域調(diào)制：載波隨時間和信息變化。時域調(diào)制：載波隨時間和信息變化。 空域調(diào)制：載波隨空間位置變化后再按信息規(guī)律調(diào)制?？沼蛘{(diào)制：載波隨空間位置變化后再按信息規(guī)律調(diào)制。 時空混合調(diào)制：載波隨時間、空間和信息同時變化。時空混合調(diào)制：載波隨時間、空

5、間和信息同時變化。(2) (2) 按載波波形和調(diào)制方式分類按載波波形和調(diào)制方式分類 直流載波：載波不隨時間變化而只隨信息變化的調(diào)制；直流載波：載波不隨時間變化而只隨信息變化的調(diào)制； 交變載波：載波隨時間周期變化的調(diào)制。交變載波：載波隨時間周期變化的調(diào)制。按調(diào)制次數(shù)分：按調(diào)制次數(shù)分：一次調(diào)制和二次調(diào)制一次調(diào)制和二次調(diào)制一次調(diào)制一次調(diào)制：將信息直接調(diào)制到光載波上；：將信息直接調(diào)制到光載波上；二次調(diào)制二次調(diào)制：將光載波先人為地調(diào)制成隨時間或空間變化，然后再：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。將被測信息調(diào)制到光載波上。交變載波又分為交變載波又分為連續(xù)載波與脈沖載波

6、連續(xù)載波與脈沖載波方式。方式。 連續(xù)載波調(diào)制方式（連續(xù)載波調(diào)制方式（模擬調(diào)制模擬調(diào)制）包括調(diào)幅波、調(diào)頻波、調(diào)相波。）包括調(diào)幅波、調(diào)頻波、調(diào)相波。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)關(guān)系。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)關(guān)系。 脈沖載波調(diào)制方式包括脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻等內(nèi)容。脈沖載波調(diào)制方式包括脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻等內(nèi)容。l3. 典型的調(diào)制方法典型的調(diào)制方法 直接調(diào)制直接調(diào)制 光通量的直接調(diào)制是指光通量隨時間或被測信息的變化而變光通量的直接調(diào)制是指光通量隨時間或被測信息的變化而變化。被測信息直接調(diào)制光通量。被測信息載荷在光通量的幅化。被測信息直接調(diào)制光通量。被測信息載荷在

7、光通量的幅度、變化的頻率和變化的相位上，通過直接檢測光通量的這度、變化的頻率和變化的相位上，通過直接檢測光通量的這些參量，就可以測量出被測信息。直接調(diào)制應(yīng)用最多的是半些參量，就可以測量出被測信息。直接調(diào)制應(yīng)用最多的是半導(dǎo)體激光器導(dǎo)體激光器LDLD和半導(dǎo)體發(fā)光器件和半導(dǎo)體發(fā)光器件LED.LED.0( )sin()mtt 載波的交變分量疊加在直流分量之上，被測信息可以對交流分載波的交變分量疊加在直流分量之上，被測信息可以對交流分量的振幅、頻率或者初相位等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，使之隨信息變化。一量的振幅、頻率或者初相位等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，使之隨信息變化。一般情況下，調(diào)制后的載波信號的形式為般情況下，調(diào)制后的載波

8、信號的形式為 )()()(sin()(0tVttVtVtm式中，式中，V（t）為由被測信息決定的調(diào)制函數(shù)，為由被測信息決定的調(diào)制函數(shù)，根據(jù)調(diào)制參量的不同根據(jù)調(diào)制參量的不同可以分為：可以分為： 振幅調(diào)制（振幅調(diào)制（AMAM）：）： 調(diào)制參量為調(diào)制參量為 ； 頻率調(diào)制（頻率調(diào)制（FMFM）：）： 調(diào)制參量為調(diào)制參量為 ； 相位調(diào)制（相位調(diào)制（PMPM）：）： 調(diào)制參量為載波的初始相位調(diào)制參量為載波的初始相位 。 （7-77） )t (V)t (Vm)t (V(2) (2) 連續(xù)波調(diào)制（模擬調(diào)制）連續(xù)波調(diào)制（模擬調(diào)制）連續(xù)波調(diào)制的光載波通常具有諧波的形式，用下列函數(shù)描述連續(xù)波調(diào)制的光載波通常具有諧波

9、的形式，用下列函數(shù)描述 振幅調(diào)制振幅調(diào)制 光載波信號的光載波信號的幅度瞬時值隨調(diào)制信息成比例變化幅度瞬時值隨調(diào)制信息成比例變化，而頻率、相位，而頻率、相位保持不變的調(diào)制方法稱幅度調(diào)制或調(diào)幅。保持不變的調(diào)制方法稱幅度調(diào)制或調(diào)幅。mmtmVtV)(1 )(（7-78） 0( )1( )sin()mtmV tt式中式中V V（t t）是調(diào)制函數(shù)）是調(diào)制函數(shù)，規(guī)定；，規(guī)定；m m是調(diào)制度或調(diào)制深度是調(diào)制度或調(diào)制深度，表，表示示V V（t t）對載波幅度的調(diào)制能力，并且）對載波幅度的調(diào)制能力，并且 1載波幅度化被調(diào)制波的最大幅度變mmm（7-79） 以最簡單的正弦調(diào)制函數(shù)為例討論幅度調(diào)制的一般規(guī)律，分析

10、調(diào)以最簡單的正弦調(diào)制函數(shù)為例討論幅度調(diào)制的一般規(guī)律，分析調(diào)幅波的形成過程和它的幅波的形成過程和它的頻譜分布頻譜分布。 sinX tV tt ttmtmsinsin10 0sin1coscos2mmttm t tF2 對于頻譜分布在對于頻譜分布在F F0 0 F F（=2F=2F0 0）范圍內(nèi)的任意函數(shù)）范圍內(nèi)的任意函數(shù)V(t) V(t) ，所對應(yīng)的調(diào)幅波頻譜是由以載波頻率所對應(yīng)的調(diào)幅波頻譜是由以載波頻率f f0 0為中心的一系列邊頻組成，為中心的一系列邊頻組成，分別為分別為f f0 0 F F1 1；f f0 0 F F2 2；f f0 0 FF。式中。式中F F1 1，F(xiàn) F2 2均為均為F

11、F內(nèi)的頻譜內(nèi)的頻譜分量；頻譜圖如圖分量；頻譜圖如圖7-48(e)7-48(e)所示。若調(diào)制信號具有連續(xù)的帶寬所示。若調(diào)制信號具有連續(xù)的帶寬F Fmaxmax，則調(diào)幅波的頻帶是則調(diào)幅波的頻帶是f f0 0 F Fmaxmax，帶寬為，帶寬為B Bm m=2 F=2 Fmaxmax，其中，其中F Fmaxmax是調(diào)制信號是調(diào)制信號的最高頻率（圖中虛線）。的最高頻率（圖中虛線）。 調(diào)制載波的頻譜是選擇檢測通道帶寬的依據(jù)。調(diào)制載波的頻譜是選擇檢測通道帶寬的依據(jù)。如若載波頻率為如若載波頻率為f f0 0=10 kHz=10 kHz，調(diào)制信號頻率為，調(diào)制信號頻率為F F0 0500Hz500Hz，則調(diào)幅后

12、的載波頻譜分布在，則調(diào)幅后的載波頻譜分布在f fL L（10100.50.5）kHzkHz9.5kHz9.5kHz和和f fH H（10100.50.5）kHzkHz10.5kHz10.5kHz之間，之間，也就是調(diào)幅波的帶寬為也就是調(diào)幅波的帶寬為B Bm m=1kHz=1kHz。因此，。因此，檢測通道的帶寬滿足檢測通道的帶寬滿足B Bm m的要的要求求，對帶寬外的信號進(jìn)行有選擇地濾波，以便減少噪聲和干擾，有，對帶寬外的信號進(jìn)行有選擇地濾波，以便減少噪聲和干擾，有利于提高信噪比。利于提高信噪比。 頻率調(diào)制頻率調(diào)制 頻率調(diào)制（調(diào)頻）頻率調(diào)制（調(diào)頻）是指是指光載波的頻率按調(diào)制信號的幅度改變光載波的頻

13、率按調(diào)制信號的幅度改變，使調(diào)制后的調(diào)頻波頻率偏離開原有的載波頻率，其使調(diào)制后的調(diào)頻波頻率偏離開原有的載波頻率，其瞬時偏離值與調(diào)瞬時偏離值與調(diào)制信號幅度瞬時值成正比，載波的振幅保持不變。制信號幅度瞬時值成正比，載波的振幅保持不變。 tVtV0（7-82） 式中式中V V（t t）為調(diào)制函數(shù)，規(guī)定）為調(diào)制函數(shù)，規(guī)定 ； 是載波頻是載波頻率相對于中心頻率率相對于中心頻率f f0 0的最大頻率偏差，簡稱的最大頻率偏差，簡稱頻偏頻偏。 1)(tV2f0當(dāng)當(dāng) 時，載波頻率的變化最大，為時，載波頻率的變化最大，為 。0 000sin?tmttV t dt （7-83） 對于最簡單的余弦調(diào)制函數(shù)的情況，對于最

14、簡單的余弦調(diào)制函數(shù)的情況， ttVcos)()()(sin()(0tVttVtVtm( )1V t 式中式中 為調(diào)制角頻率。為調(diào)制角頻率。F2 tsinmtsintfm00式中式中 為頻率調(diào)制指數(shù)。為頻率調(diào)制指數(shù)。 為偏頻，為偏頻，F(xiàn) F為調(diào)制頻為調(diào)制頻率。率。 表示單位調(diào)制頻率引起頻偏變化的大小。表示單位調(diào)制頻率引起頻偏變化的大小。 Ffmfffmf當(dāng)當(dāng) 時稱為時稱為寬帶調(diào)頻寬帶調(diào)頻， 時稱為時稱為窄帶調(diào)頻窄帶調(diào)頻。1fm1fm tmttmttffmsinsincossincossin000（7-85） （7-84） ttVcos tsinmtsintfm000000( )sin1sinsi

15、n2mfmttm t t ttVcos1sincostmftmtmffsinsinsin，； tmtttfmsincossin000ttmtmfm0000sinsin21sin（7-86） 頻譜的基波頻率為頻譜的基波頻率為 ，組合頻率為，組合頻率為 和和 。 000一般情況下，調(diào)制信號形式比較復(fù)雜時，頻譜是以載波頻一般情況下，調(diào)制信號形式比較復(fù)雜時，頻譜是以載波頻率為中心的一個帶寬域，帶寬因率為中心的一個帶寬域，帶寬因 而異。窄帶調(diào)頻時的而異。窄帶調(diào)頻時的帶寬為帶寬為 ，寬帶調(diào)頻時的帶寬，寬帶調(diào)頻時的帶寬 。例如，對光通量調(diào)頻，若例如，對光通量調(diào)頻，若F=300HzF=300Hz，則當(dāng)，則當(dāng)

16、fmFBf2FmFfBff122 = 40 = 40時時= 24.6kHz= 24.6kHzfm= 4= 4時時 = 3kHz= 3kHz fmfB= 0.4= 0.4時時 = 0.6kHz= 0.6kHz fBfm在在窄帶調(diào)頻窄帶調(diào)頻的情況下的情況下 fB tmttmttffmsinsincossincossin000 相位調(diào)制相位調(diào)制 相位調(diào)制為相位調(diào)制為載波的相位角隨著調(diào)制信號的變化而變化載波的相位角隨著調(diào)制信號的變化而變化的調(diào)制。的調(diào)制。調(diào)頻和調(diào)相兩種調(diào)制波最終都表現(xiàn)為總相角的變化。調(diào)頻和調(diào)相兩種調(diào)制波最終都表現(xiàn)為總相角的變化。 ( ) sincc ttV ttk V ttkt 則調(diào)相

17、波可寫為則調(diào)相波可寫為 00sinsinsinmmcttV ttkt （7-87） （7-88） 式中式中 為相位比例系數(shù)，為相位比例系數(shù)， 為光載波的初相位。為光載波的初相位。 k)()()(sin()(0tVttVtVtm () =sin ccV tkV tkt( ) =sin V ttc(2) (2) 脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制是脈沖調(diào)制是用間歇的周期性脈沖序列作為載波用間歇的周期性脈沖序列作為載波，使載波的某一參量，使載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。即先用模擬調(diào)制信號對某一電按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。即先用模擬調(diào)制信號對某一電脈沖調(diào)制有脈沖調(diào)制有脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制

18、、脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制、脈沖時間調(diào)制。脈沖相位脈沖時間調(diào)制。脈沖相位調(diào)制、脈沖計數(shù)調(diào)制、脈沖編碼調(diào)制等。調(diào)制、脈沖計數(shù)調(diào)制、脈沖編碼調(diào)制等。圖圖7-507-50所示為各種類型的脈沖調(diào)制方式的所示為各種類型的脈沖調(diào)制方式的波形圖。波形圖。脈沖序列的參量進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)脈沖序列的參量進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號規(guī)律變化，成為已調(diào)電脈沖序列，制信號規(guī)律變化，成為已調(diào)電脈沖序列，然后再用這已調(diào)電脈沖序列對光載波進(jìn)然后再用這已調(diào)電脈沖序列對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光行強(qiáng)度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。脈沖序列。(3) (3) 編碼調(diào)制（數(shù)字調(diào)制

19、）編碼調(diào)制（數(shù)字調(diào)制）編碼調(diào)制把模擬信號先變成序列脈沖，再變成代表信號信息的編碼調(diào)制把模擬信號先變成序列脈沖，再變成代表信號信息的二進(jìn)制編碼，然后對載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。要實(shí)現(xiàn)編碼調(diào)制，必二進(jìn)制編碼，然后對載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。要實(shí)現(xiàn)編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個過程，即須進(jìn)行三個過程，即采樣、量化和編碼采樣、量化和編碼。 采樣采樣：就是將連續(xù)信號分割成不連續(xù)的脈沖，用一定的脈：就是將連續(xù)信號分割成不連續(xù)的脈沖，用一定的脈沖序列來表示，且序列脈沖的幅度與信號波的幅度相對應(yīng)。即沖序列來表示，且序列脈沖的幅度與信號波的幅度相對應(yīng)。即通過采樣，原來的模擬信號變成脈幅調(diào)制信號。根據(jù)采樣定理，通過采樣，原來的模擬信號變

20、成脈幅調(diào)制信號。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率比所傳遞信號的最高頻率大兩倍以上，就能夠恢只要采樣頻率比所傳遞信號的最高頻率大兩倍以上，就能夠恢復(fù)原信號。復(fù)原信號。 量化：量化：將采樣后的調(diào)幅脈沖進(jìn)行分級、取將采樣后的調(diào)幅脈沖進(jìn)行分級、取“整整”處理，用有處理，用有限個數(shù)的代表值取代采樣值的大小。經(jīng)采樣再通過量化過程即限個數(shù)的代表值取代采樣值的大小。經(jīng)采樣再通過量化過程即變成數(shù)字信號。變成數(shù)字信號。 編碼：編碼：將量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的二將量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的二進(jìn)制碼的過程。即用一組等幅度、等寬度的進(jìn)制碼的過程。即用一組等幅度、等寬度的脈沖作為脈沖作為“碼碼”，用，用“有有”脈沖和脈沖

21、和“無無”脈脈沖分別表示二進(jìn)制數(shù)碼的沖分別表示二進(jìn)制數(shù)碼的“1”和和“0”。再將。再將這一系列反映數(shù)字信號規(guī)律的電脈沖加到一這一系列反映數(shù)字信號規(guī)律的電脈沖加到一個調(diào)制器上，由激光載波的極大值代表二進(jìn)個調(diào)制器上，由激光載波的極大值代表二進(jìn)制編碼的制編碼的“1”，而用激光載波的零值代表，而用激光載波的零值代表“0”。這種編碼調(diào)制方式具有很強(qiáng)的抗干擾。這種編碼調(diào)制方式具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在數(shù)字通信中得到廣泛的應(yīng)用。能力，在數(shù)字通信中得到廣泛的應(yīng)用。 (3) (3) 編碼調(diào)制（數(shù)字調(diào)制）編碼調(diào)制（數(shù)字調(diào)制）數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制1模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼的過程模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼的過程數(shù)字系統(tǒng)比模擬系統(tǒng)

22、所具有的最大優(yōu)點(diǎn)是不受噪聲和失真的干數(shù)字系統(tǒng)比模擬系統(tǒng)所具有的最大優(yōu)點(diǎn)是不受噪聲和失真的干擾，為此付出的代價是系統(tǒng)頻帶比相應(yīng)的模擬信號帶寬要大得擾，為此付出的代價是系統(tǒng)頻帶比相應(yīng)的模擬信號帶寬要大得多。具體采用何種調(diào)制方式取決于下面幾點(diǎn)：多。具體采用何種調(diào)制方式取決于下面幾點(diǎn)：（1 1）應(yīng)有效地、失真最小地攜帶并檢測信息；）應(yīng)有效地、失真最小地攜帶并檢測信息；（2 2）有利于抑制噪聲，滿足精度要求；）有利于抑制噪聲，滿足精度要求；（3 3）系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。）系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。注意注意：由于光電探測器僅響應(yīng)于光功率（輻射通量），所以各：由于光電探測器僅響應(yīng)于光功率（輻射通量），所以各種光波參數(shù)的調(diào)制最

23、終均需轉(zhuǎn)化為光功率的變化。種光波參數(shù)的調(diào)制最終均需轉(zhuǎn)化為光功率的變化。在在模擬調(diào)制模擬調(diào)制形式中，信息信號連續(xù)改變載波的參量；形式中，信息信號連續(xù)改變載波的參量；脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制和數(shù)字調(diào)制和數(shù)字調(diào)制是對信息信號的幅度按一定規(guī)律間隔采樣，而用脈是對信息信號的幅度按一定規(guī)律間隔采樣，而用脈沖序列做載波。沖序列做載波。(4) (4) 其它參量調(diào)制（其它參量調(diào)制（光偏振調(diào)制光偏振調(diào)制） 能夠表征光波的幾何或物理特性的參量除光強(qiáng)、變化頻率和相能夠表征光波的幾何或物理特性的參量除光強(qiáng)、變化頻率和相位之外還有許多其他的參量，比如位之外還有許多其他的參量，比如光傳輸中偏振方向和傳播方向等，光傳輸中偏振方向和傳

24、播方向等，這些參量也能作為調(diào)制的對象這些參量也能作為調(diào)制的對象，用來傳送有用的信息，用來傳送有用的信息。 如光波在如光波在旋光性物質(zhì)旋光性物質(zhì)中傳播時，偏振面的轉(zhuǎn)動可以用來取得有中傳播時，偏振面的轉(zhuǎn)動可以用來取得有關(guān)該物質(zhì)性質(zhì)的信息。例如糖溶液或松節(jié)油可使通過該溶液偏振光關(guān)該物質(zhì)性質(zhì)的信息。例如糖溶液或松節(jié)油可使通過該溶液偏振光的偏振面轉(zhuǎn)角的偏振面轉(zhuǎn)角，它不僅與通過溶液的路程，它不僅與通過溶液的路程l有關(guān)，而且還正比于有關(guān)，而且還正比于溶液的濃度溶液的濃度c，即，即 alc（7-89） 式中，式中，a a為溶液的旋光率。由于偏振面的旋轉(zhuǎn)角有方向性，例如葡為溶液的旋光率。由于偏振面的旋轉(zhuǎn)角有方向

25、性，例如葡萄糖為右旋，果糖為左旋，因此，通過測量偏振的旋轉(zhuǎn)角可以獲得萄糖為右旋，果糖為左旋，因此，通過測量偏振的旋轉(zhuǎn)角可以獲得溶液的濃度和物質(zhì)的性質(zhì)。溶液的濃度和物質(zhì)的性質(zhì)。（1 1）振幅調(diào)制：）振幅調(diào)制： 電光光強(qiáng)調(diào)制器、調(diào)制盤。電光光強(qiáng)調(diào)制器、調(diào)制盤。（2 2）頻率調(diào)制：）頻率調(diào)制： 聲光頻移器。聲光頻移器。（3 3）相位調(diào)制：電光相位調(diào)制器、聲光相位調(diào)制器）相位調(diào)制：電光相位調(diào)制器、聲光相位調(diào)制器或利用干涉現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光相位調(diào)制?；蚶酶缮娆F(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光相位調(diào)制。（4 4）偏振面調(diào)制：電光調(diào)制器、磁光調(diào)制器。）偏振面調(diào)制：電光調(diào)制器、磁光調(diào)制器。（5 5）光束方向調(diào)制：聲光偏轉(zhuǎn)器。）光束方向調(diào)制

26、：聲光偏轉(zhuǎn)器。l一、光學(xué)相位調(diào)制的基本原理一、光學(xué)相位調(diào)制的基本原理 光學(xué)相位調(diào)制是基于光的干涉原理，它利用兩束相干光學(xué)相位調(diào)制是基于光的干涉原理，它利用兩束相干光束的疊加而產(chǎn)生的干涉條紋隨被測量的變化而變化光束的疊加而產(chǎn)生的干涉條紋隨被測量的變化而變化的現(xiàn)象，使的現(xiàn)象，使被測量載荷在光的相位被測量載荷在光的相位上。上。光波的相位由光波的相位由光傳播的物理長度、傳播介質(zhì)的折射率等參數(shù)決定光傳播的物理長度、傳播介質(zhì)的折射率等參數(shù)決定，也就是說改變上述參量即可產(chǎn)生光波相位的變化，實(shí)也就是說改變上述參量即可產(chǎn)生光波相位的變化，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。但是，目前市場上的各類光探測器都是現(xiàn)相位調(diào)制。但是，目前市場

27、上的各類光探測器都是不能感知光波相位的變化，必須采用光的干涉技術(shù)將不能感知光波相位的變化，必須采用光的干涉技術(shù)將相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，才能實(shí)現(xiàn)對外界物理量的相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，才能實(shí)現(xiàn)對外界物理量的檢測，因此，光學(xué)相位調(diào)制應(yīng)包括兩部分，一是檢測，因此，光學(xué)相位調(diào)制應(yīng)包括兩部分，一是產(chǎn)生產(chǎn)生光波相位變化的物理機(jī)理；二是光的干涉光波相位變化的物理機(jī)理；二是光的干涉。兩相干光波的復(fù)振幅分布：兩相干光波的復(fù)振幅分布：)y, x(t jexpa)y, x(I1111)y, x(t jexpa)y, x(I2222)y, x(tcos)y, x(1)y, x(A)y, x(tcosa2aaa)y,

28、x( I212221兩束光疊加形成的干涉場光強(qiáng)分布為：兩束光疊加形成的干涉場光強(qiáng)分布為：)(21光頻差)(y, x()y, x()y, x(21相位差021若若)y, x(cos)y, x(1)y, x(A)y, x( I干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相位差，相位差又可以看成為干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相位差，相位差又可以看成為光程差，當(dāng)光傳輸介質(zhì)的折射率為光程差，當(dāng)光傳輸介質(zhì)的折射率為n時，相位差是光傳輸距離的時，相位差是光傳輸距離的線積分：線積分：L00nds2)y, x(0nL2)y, x(L)nnL(20對均勻介質(zhì)：對均勻介質(zhì)：這說明光傳輸介質(zhì)的這說明光傳輸介質(zhì)的折射率和光程長度的變化

29、折射率和光程長度的變化都將導(dǎo)致相位差都將導(dǎo)致相位差的變化，從而引起干涉強(qiáng)度的變化，這一性質(zhì)被用于改變光載的變化，從而引起干涉強(qiáng)度的變化，這一性質(zhì)被用于改變光載波的特征參量，作為光學(xué)相位調(diào)制的基本手段。波的特征參量，作為光學(xué)相位調(diào)制的基本手段。光學(xué)相位調(diào)制是在單一頻率的相干光路中，被測量使光波的相光學(xué)相位調(diào)制是在單一頻率的相干光路中，被測量使光波的相位受到被測量的調(diào)制，通過干涉作用把光相位的變化變換為光位受到被測量的調(diào)制，通過干涉作用把光相位的變化變換為光振幅的變化。振幅的變化。)y, x(cos)y, x(1)y, x(A)y, x( I 利用干涉現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)利用干涉現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光相位調(diào)制光相位調(diào)制

30、利用干涉現(xiàn)象調(diào)制的關(guān)鍵是對光程差或相位差進(jìn)行調(diào)制。利用干涉現(xiàn)象調(diào)制的關(guān)鍵是對光程差或相位差進(jìn)行調(diào)制。光學(xué)干涉儀有：邁克耳遜干涉儀、馬赫澤德干涉儀、法布里光學(xué)干涉儀有：邁克耳遜干涉儀、馬赫澤德干涉儀、法布里珀羅干涉儀等珀羅干涉儀等這種干涉儀的這種干涉儀的特點(diǎn)是條紋對特點(diǎn)是條紋對比度好，信噪比度好，信噪比高，測量靈比高，測量靈敏度高等敏度高等02n L光學(xué)頻率調(diào)制是被測物理量載荷于光學(xué)差頻上。根光學(xué)頻率調(diào)制是被測物理量載荷于光學(xué)差頻上。根據(jù)光頻差的獲得和差頻信號檢測方式不同，大致?lián)忸l差的獲得和差頻信號檢測方式不同，大致可分為三種類型：參量調(diào)頻、可分為三種類型：參量調(diào)頻、固定頻移固定頻移和直接調(diào)和

31、直接調(diào)頻。頻。固定頻移固定頻移：使用頻移器件使參考光波相對于信號光：使用頻移器件使參考光波相對于信號光形成一固定的頻率偏移，或利用形成一固定的頻率偏移，或利用雙頻光源雙頻光源形成有形成有一定頻差的兩束相干光束。被測信號對其中一束一定頻差的兩束相干光束。被測信號對其中一束光波進(jìn)行調(diào)制，用外差檢測其差頻信號就可以測光波進(jìn)行調(diào)制，用外差檢測其差頻信號就可以測定被測參量定被測參量 利用固定頻移進(jìn)行外差檢測的例子是利用固定頻移進(jìn)行外差檢測的例子是雙頻激光干雙頻激光干涉儀涉儀。2LN雙頻激光干儀雙頻激光干儀光光學(xué)學(xué)多多普普勒勒頻頻移移參考信號參考信號2fv 1 1、電光調(diào)制器、電光調(diào)制器典型光學(xué)調(diào)制器典型

32、光學(xué)調(diào)制器3電光調(diào)制主要用于激光調(diào)制，是利用晶體在外加電場的作用下電光調(diào)制主要用于激光調(diào)制，是利用晶體在外加電場的作用下折射率的變化使光強(qiáng)的振幅及相位發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)光調(diào)制的。折射率的變化使光強(qiáng)的振幅及相位發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)光調(diào)制的。作用？作用？l縱向電光強(qiáng)度調(diào)制（電光晶體縱向電光強(qiáng)度調(diào)制（電光晶體KDPKDP）電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制電光晶體KDP置于兩個正交的偏振器之間P1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，P2的偏振方向平行于y軸當(dāng)沿晶體z軸方向加電場后，x和y軸旋轉(zhuǎn)45變?yōu)楦袘?yīng)主軸x和y1 1、電光調(diào)制器、電光調(diào)制器1 1 電光晶體電光晶體KDPKDP置于兩個正交的偏振器之間置于兩

33、個正交的偏振器之間2 P12 P1的偏振方向平行于電光晶體的的偏振方向平行于電光晶體的x x軸，軸，P2P2的偏振方向平行于的偏振方向平行于y y軸軸3 3 當(dāng)沿晶體當(dāng)沿晶體z z軸方向加電場后，軸方向加電場后，x x和和y y軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)4545變?yōu)楦袘?yīng)主軸變?yōu)楦袘?yīng)主軸x x 和和yy4 4 在調(diào)制器的光路上插入一個在調(diào)制器的光路上插入一個1/41/4波片，使其快慢軸與晶體主軸波片，使其快慢軸與晶體主軸x x成成4545角，從而使角，從而使 ExEx和和EyEy二分量間產(chǎn)生二分量間產(chǎn)生/2/2的固定相位差。的固定相位差。2 2、聲光調(diào)制器、聲光調(diào)制器典型光學(xué)調(diào)制器典型光學(xué)調(diào)制器聲光調(diào)制是利用

34、聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)聲光效應(yīng)將信息加載于光載波上的一種物理將信息加載于光載波上的一種物理過程。調(diào)制信號是以電信號（調(diào)幅）形式作用于電聲換能過程。調(diào)制信號是以電信號（調(diào)幅）形式作用于電聲換能器上，再轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當(dāng)光波通過聲器上，再轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶攜帶”信息的信息的強(qiáng)度調(diào)制波強(qiáng)度調(diào)制波。聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸收（反射聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸收（反射)裝置、裝置、驅(qū)動電源等組成。驅(qū)動電源等組成。2 2、聲光調(diào)制器、聲光調(diào)制器典型

35、光學(xué)調(diào)制器典型光學(xué)調(diào)制器聲光調(diào)制是聲光調(diào)制是聲波和光波聲波和光波作用的一種調(diào)制方式。聲波是一種機(jī)械作用的一種調(diào)制方式。聲波是一種機(jī)械波，而且又是縱波。當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度波，而且又是縱波。當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度周期性的疏密變化。由于周期性的疏密變化。由于介質(zhì)密度介質(zhì)密度的這種變化，會引起介質(zhì)的的這種變化，會引起介質(zhì)的介電系數(shù)及折射率也作周期變化。這種效應(yīng)稱為介電系數(shù)及折射率也作周期變化。這種效應(yīng)稱為光彈效應(yīng)。光彈效應(yīng)。因此，介質(zhì)折射率隨超聲波信號的變化而變化，從而影響著光因此，介質(zhì)折射率隨超聲波信號的變化而變化，從而影響著光在此介質(zhì)中傳播特性的變化，即光的強(qiáng)度、頻

36、率等參數(shù)隨超聲在此介質(zhì)中傳播特性的變化，即光的強(qiáng)度、頻率等參數(shù)隨超聲信號的變化而變化，稱此效應(yīng)為信號的變化而變化，稱此效應(yīng)為聲光效應(yīng)聲光效應(yīng)。 介質(zhì)中的折射率的這種疏密變化等效于一個光柵，等效光介質(zhì)中的折射率的這種疏密變化等效于一個光柵，等效光柵的柵距為柵的柵距為聲波的波長聲波的波長 。 光通過聲光介質(zhì)時產(chǎn)生衍射。聲光衍射分為喇曼奈斯和光通過聲光介質(zhì)時產(chǎn)生衍射。聲光衍射分為喇曼奈斯和布布拉格衍射拉格衍射。s聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器 聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器入射角滿足布拉格衍射條件：入射角滿足布拉格衍射條件： 時，布拉格衍射就時，布拉格衍射就能將入射能量全部轉(zhuǎn)移到能將入射能量全部轉(zhuǎn)移到0級及級及 1級的

37、衍射光上。級的衍射光上。0級及級及 1級衍射光的光強(qiáng)分別為：級衍射光的光強(qiáng)分別為：1222112sin ()sin ()sIIk PIk V1sin2s1222012cos ()cos ()sIIk PIk VK K1 1是和介質(zhì)有關(guān)的是和介質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，常數(shù)，I I是入射光強(qiáng)，是入射光強(qiáng)，P Ps s是介質(zhì)中超聲波是介質(zhì)中超聲波的功率，的功率，V V是換能器是換能器上的電壓。因此衍上的電壓。因此衍射光光強(qiáng)的幅值受射光光強(qiáng)的幅值受加到換能器上的調(diào)加到換能器上的調(diào)制電壓控制。制電壓控制。l7.5.3 調(diào)制信號的解調(diào)調(diào)制信號的解調(diào) 從已調(diào)制信號中分離出有用信息的過程稱為從已調(diào)制信號中分離出有用信息

38、的過程稱為解調(diào)解調(diào)，所以也稱作檢波，是信號調(diào)制的相反過程。，所以也稱作檢波，是信號調(diào)制的相反過程。實(shí)現(xiàn)解調(diào)作用的裝置是解調(diào)器。實(shí)現(xiàn)解調(diào)作用的裝置是解調(diào)器。 不同的調(diào)制信號有不同的解調(diào)方法。下面介不同的調(diào)制信號有不同的解調(diào)方法。下面介紹調(diào)幅波解調(diào)的紹調(diào)幅波解調(diào)的直線律檢波直線律檢波和相位調(diào)制波的解調(diào)和相位調(diào)制波的解調(diào)器器相敏檢波相敏檢波。 二極管峰值檢波器原理二極管峰值檢波器原理：由由二極管峰值檢波二極管峰值檢波電路完電路完成。通過二極管成。通過二極管正向快速充電正向快速充電達(dá)到待測電壓的峰達(dá)到待測電壓的峰值，而二極管值，而二極管反向截止時反向截止時“保持保持”該峰值。該峰值。放充maxT放1

39、1直線律檢波（針對調(diào)幅波）直線律檢波（針對調(diào)幅波）(1)(1)二極管的檢波特性二極管的檢波特性 解調(diào)是將調(diào)制信號從載波中分離出來。顯然，這個信號的變換解調(diào)是將調(diào)制信號從載波中分離出來。顯然，這個信號的變換過程為非線性過程，需要利用非線性元件來完成。利用具有良好單過程為非線性過程，需要利用非線性元件來完成。利用具有良好單向?qū)щ娞匦缘亩O管構(gòu)成的如圖向?qū)щ娞匦缘亩O管構(gòu)成的如圖7-577-57所示的檢波電路可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅所示的檢波電路可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅波的解調(diào)工作。圖波的解調(diào)工作。圖7-577-57所示的檢波電路由檢波二極管所示的檢波電路由檢波二極管D D、負(fù)載電阻、負(fù)載電阻R R和濾波電容和濾波電容C

40、C構(gòu)成。構(gòu)成。 當(dāng)如圖當(dāng)如圖7-587-58所示的調(diào)幅波所示的調(diào)幅波U Uinin（如圖（如圖7-58(a) 7-58(a) 所示）送入到檢波電路輸入端時，經(jīng)二極所示）送入到檢波電路輸入端時，經(jīng)二極管檢波器輸出如圖管檢波器輸出如圖7-58(b) 7-58(b) 所示的半波整所示的半波整流信號。即半波整流的輸出電壓為流信號。即半波整流的輸出電壓為 000inininoUUUKUD（7-91） (2)(2)調(diào)幅信號的解調(diào)調(diào)幅信號的解調(diào) 用直線律檢波器對調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào)是用直線律檢波器對調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào)是最簡單的解調(diào)方式。假設(shè)按正弦規(guī)律調(diào)幅最簡單的解調(diào)方式。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

41、隔直處理后具的光載波信號經(jīng)光電變換及隔直處理后具有下列形式有下列形式 ttmUisinsin1）（7-92） 式中式中m m為調(diào)制度；為調(diào)制度；為調(diào)制頻率；為調(diào)制頻率；為載波為載波頻率。代入式頻率。代入式(7-91)(7-91)；并用傅里葉級數(shù)展；并用傅里葉級數(shù)展開，得開，得 21211sincos2sin(2)sin(2)4122oDnmmUKmtn tntntn（）（7-93） 除去高次諧波后除去高次諧波后 ，得到調(diào)幅信號。，得到調(diào)幅信號。）（tmKUDosin12（7-94） l2 2相敏檢波（主要針對調(diào)相波）相敏檢波（主要針對調(diào)相波）l(1)(1)相敏檢波和同步解調(diào)相敏檢波和同步解調(diào)

42、對于相位調(diào)制的載波信號，載波和參對于相位調(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。這種考信號間的相位差隨被測信息改變。這種信號的解調(diào)，應(yīng)該對信號的解調(diào)，應(yīng)該對載波的相位敏感載波的相位敏感，檢，檢波器的輸出電壓應(yīng)反映出相位的變化。相波器的輸出電壓應(yīng)反映出相位的變化。相應(yīng)解調(diào)器的工作特性如圖應(yīng)解調(diào)器的工作特性如圖7-597-59所示。所示。在另外的情況下，對于有些調(diào)幅信號，不僅要求檢測變量變化的大在另外的情況下，對于有些調(diào)幅信號，不僅要求檢測變量變化的大小，而且希望確定變化的小，而且希望確定變化的方向或極性方向或極性。對這種有極性變量的調(diào)制，。對這種有極性變量的調(diào)制，通?？捎猛ǔ？捎?/p>

43、載波的幅度大小表示變量的數(shù)值而用載波的相位正反表示載波的幅度大小表示變量的數(shù)值而用載波的相位正反表示變量的極性變量的極性。顯然為處理這種調(diào)幅信號也需要有對相位敏感的解調(diào)。顯然為處理這種調(diào)幅信號也需要有對相位敏感的解調(diào)方法。這種不僅能檢測出調(diào)制信號的幅度，而且能確定載波相位數(shù)方法。這種不僅能檢測出調(diào)制信號的幅度，而且能確定載波相位數(shù)值的解調(diào)稱作相敏檢波或同步檢相，它的基本原理是乘積檢波。值的解調(diào)稱作相敏檢波或同步檢相，它的基本原理是乘積檢波。(2)(2)相敏檢波器的基本原理相敏檢波器的基本原理 如圖如圖7-607-60所示為相敏檢波器的原理與頻譜特性，它由乘法器所示為相敏檢波器的原理與頻譜特性，

44、它由乘法器構(gòu)成的解調(diào)器和低通濾波器串聯(lián)而成。這里，解調(diào)器被看成由已調(diào)構(gòu)成的解調(diào)器和低通濾波器串聯(lián)而成。這里，解調(diào)器被看成由已調(diào)制的信號和參考信號間的模擬乘法器組成。模擬乘法器對調(diào)制信號制的信號和參考信號間的模擬乘法器組成。模擬乘法器對調(diào)制信號具有檢波功能，因此又稱為乘積檢波器。具有檢波功能，因此又稱為乘積檢波器。 設(shè)載波受單一頻率諧波設(shè)載波受單一頻率諧波調(diào)幅，其調(diào)幅信號為調(diào)幅，其調(diào)幅信號為 ，用 做 相 位 比 較 的 參 考 信 號用 做 相 位 比 較 的 參 考 信 號為為 ，式中，兩信號，式中，兩信號間的相位差間的相位差 可以作為變量。為簡可以作為變量。為簡單起見，設(shè)單起見，設(shè) 。解調(diào)器的輸出信。解調(diào)器的輸出信號號U Uo o為調(diào)幅信號為調(diào)幅信號U Uinin與參考與參考U Uc c乘積，即乘積，即iincoscosmUUtt)cos(tUUcmccmmUUi2in(coscos)cos()ocmUUUUtttcos)2cos(cos212ttUmtUtUtUmmm)2(cos4)2(cos4coscos2222（7-95） 乘法器的輸出信號包括乘法器的輸出信號包括 、 和和 三