光學(xué)信號的調(diào)制課件

光電探測與信號處理

第五章信息的光學(xué)變換1光電探測與信號處理第五章信息的光學(xué)變換15.2光信號調(diào)制的基本原理5.3光信號調(diào)制的基本方法5.4直接探測和相干探測5.1光信號調(diào)制的概述5.2光信號調(diào)制的基本原理5.3光信號調(diào)制的基本方法5.光學(xué)探測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形成能被光電探測器接收、便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。3光學(xué)探測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形成能被光電探測器接收、便于后續(xù)電學(xué)處光學(xué)信號變換舉例光強(qiáng)度調(diào)制，······光纖通信系統(tǒng)4光學(xué)信號變換舉例光強(qiáng)度調(diào)制，······光纖通信系統(tǒng)4光學(xué)信號變換舉例光機(jī)掃描擴(kuò)大視場光譜濾波消除背景輻射干擾色散光柵實現(xiàn)光譜的空間分離光強(qiáng)度調(diào)制，······光電系統(tǒng)中光學(xué)信號變換有著重要的意義，其變換方法也很多。重點(diǎn)講述光信號的強(qiáng)度、頻率、相位和偏振等參數(shù)的調(diào)制。5光學(xué)信號變換舉例光機(jī)掃描擴(kuò)大視場光譜濾波消除背景輻射干擾色

5.1光信號調(diào)制概述65.1光信號調(diào)制概述6光波是信息的載體，通常稱為光載波。1.載波的特征參數(shù)？

2.調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制

3.二次調(diào)制的意義

7光波是信息的載體，通常稱為光載波。1.載波的特征參數(shù)？21.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(qiáng)度振幅頻率相位特征參數(shù)：－－光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······

光的強(qiáng)度（輻通量）－－光強(qiáng)是使用最為廣泛的特征參數(shù)81.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(qiáng)2.調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制

光學(xué)調(diào)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(qiáng)、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······一次調(diào)制二次調(diào)制

光學(xué)調(diào)制92.調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制光學(xué)調(diào)制是指改變光載波的一個例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(diào)制，稱為一次調(diào)制

10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，生長例2光纖通信系統(tǒng)－－將聲音、圖像信息加載到光波上

將光載波先人為地調(diào)制成隨時間或空間變化（按確定的規(guī)律變換載波信號），然后再將被測信息調(diào)制到光載波上，稱為二次調(diào)制11例2光纖通信系統(tǒng)－－將聲音、圖像信息加載到光波上將例3：利用調(diào)制光測量液體濃度液體濃度（信息）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制

一次調(diào)制調(diào)制盤（確定時間規(guī)律）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制為

二次調(diào)制

12例3：利用調(diào)制光測量液體濃度液體濃度（信息）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)二次調(diào)制的意義？？？聲音、圖像－－加載信息抑制干擾－－改善品質(zhì)13二次調(diào)制的意義？？？聲音、圖像抑制干擾135.1光信號調(diào)制的概述－－小結(jié)光波是信息的載體，通常稱為光載波。光學(xué)調(diào)制是指改變光載波的一個或者幾個特征參數(shù)的過程。將信息直接加載到光載波上的調(diào)制，稱為一次調(diào)制

將光載波先人為地調(diào)制成隨時間或空間變化（按確定的規(guī)律變換載波信號），然后再將被測信息調(diào)制到光載波上，稱為二次調(diào)制

光電系統(tǒng)中常用的調(diào)制大多是二次調(diào)制

光的強(qiáng)度（輻通量）－－光強(qiáng)是使用最為廣泛的調(diào)制參數(shù)145.1光信號調(diào)制的概述－－小結(jié)光波是信息的載體，通常稱

5.2光信號調(diào)制的基本原理155.2光信號調(diào)制的基本原理15一、模擬調(diào)制二、脈沖調(diào)制三、編碼調(diào)制以光信號的強(qiáng)度（輻通量）調(diào)制為例討論，適用于光波的振幅、相位和頻率等參數(shù)的調(diào)制16一、模擬調(diào)制二、脈沖調(diào)制三、編碼調(diào)制以光信號的強(qiáng)度（輻一、模擬調(diào)制振幅調(diào)制(AM)頻率調(diào)制(FM)相位調(diào)制(PM)－－又稱為連續(xù)波調(diào)制17一、模擬調(diào)制振幅調(diào)制(AM)頻率調(diào)制(FM)相位調(diào)制(P1.振幅調(diào)制(AM)載波調(diào)制波調(diào)幅波信息振幅調(diào)制：載波的包絡(luò)變化－－信息181.振幅調(diào)制(AM)載波調(diào)制波調(diào)幅波信息振幅調(diào)制

例.利用調(diào)制光測量液體的濃度

載波信息思考：如果溶液的濃度逐步加大，調(diào)制波形？19例.利用調(diào)制光測量液體的濃度載波信息思考：如果溶液的載波信息振幅討論：（1）調(diào)制指數(shù)m對調(diào)幅波形的影響20載波信息振幅討論：（1）調(diào)制指數(shù)m對調(diào)幅波形的影響202121載波信息振幅討論：（2）調(diào)幅對頻譜的影響22載波信息振幅討論：（2）調(diào)幅對頻譜的影響22調(diào)幅波頻譜信號變換－－頻率搬移

調(diào)幅波帶寬B=2F信息“頻率”載波“頻率”23調(diào)幅波頻譜信號變換－－頻率搬移調(diào)幅波帶寬B=2F信息調(diào)幅波頻譜：單一頻率調(diào)制信號24調(diào)幅波頻譜：單一頻率調(diào)制信號24調(diào)幅波頻譜：多個頻率調(diào)制信號25調(diào)幅波頻譜：多個頻率調(diào)制信號25振幅調(diào)制應(yīng)用實例振幅調(diào)制應(yīng)用實例振幅調(diào)制應(yīng)用實例振幅調(diào)制應(yīng)用實例2.頻率調(diào)制(FM)載波信息頻率調(diào)制：載波的頻率變化－－信息282.頻率調(diào)制(FM)載波信息頻率調(diào)制：載波的頻率變化－--頻率調(diào)制指數(shù)mf>1寬帶調(diào)頻mf<<1窄帶調(diào)頻當(dāng)29--頻率調(diào)制指數(shù)mf>1寬帶調(diào)頻當(dāng)29--頻率調(diào)制指數(shù)mf>1寬帶調(diào)頻mf<<1窄帶調(diào)頻討論：調(diào)制指數(shù)m對調(diào)頻波形的影響例：FM立體聲廣播載波:91.8MHz音頻:<20kHz--頻率調(diào)制指數(shù)mf>1寬帶調(diào)頻討論：調(diào)制指數(shù)m光學(xué)信號的調(diào)制課件例：利用V/F（電壓/頻率）變換器產(chǎn)生調(diào)頻光信號U0－－載波頻率Ui－－調(diào)制頻率32例：利用V/F（電壓/頻率）變換器產(chǎn)生調(diào)頻光信號U0－－載電壓/頻率變換器工作示意圖電壓/頻率變換器工作示意圖調(diào)頻光信號產(chǎn)生實例調(diào)頻光信號產(chǎn)生實例二、脈沖調(diào)制原始脈沖波形脈沖幅度調(diào)制脈沖頻率調(diào)制脈沖寬度調(diào)制應(yīng)用：－－激光測距、目標(biāo)跟蹤與識別等······35二、脈沖調(diào)制原始脈沖波形脈沖幅度調(diào)制脈沖頻率調(diào)制脈沖三、編碼調(diào)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(jìn)制編碼，然后對載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。模擬量4，8，……0100，1000，……脈沖量數(shù)字信號三、編碼調(diào)制抽樣量化編碼5.3光學(xué)信號調(diào)制的基本方法5.3光學(xué)信號調(diào)制的基本方法可調(diào)參數(shù)：－－光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······二、光信號相位的調(diào)制一、光信號強(qiáng)度的調(diào)制三、光信號頻率的調(diào)制四、光信號偏振的調(diào)制38可調(diào)參數(shù)：二、光信號相位的調(diào)制一一、光信號強(qiáng)度的調(diào)制可實現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制典型的方法2.機(jī)電調(diào)制3.光電子調(diào)制1.輻射源調(diào)制

39一、光信號強(qiáng)度的調(diào)制可實現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制典型的方法2.機(jī)電調(diào)制1)半導(dǎo)體激光器調(diào)制－－調(diào)制頻率40GHz摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作1.輻射源調(diào)制--改變輸入電流來實現(xiàn)光強(qiáng)度的調(diào)制1)半導(dǎo)體激光器調(diào)制－－調(diào)制頻率40GHz摘自國家精品課程《2)發(fā)光二極管調(diào)制－－調(diào)制頻率100MHz摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作－中短距離光電測距－光通信，······2)發(fā)光二極管調(diào)制－－調(diào)制頻率100MHz摘自國家精品課程2.機(jī)電調(diào)制1)調(diào)制盤調(diào)制2)光柵莫爾條紋調(diào)制2.機(jī)電調(diào)制1)調(diào)制盤調(diào)制2)光柵莫爾條紋調(diào)制1)調(diào)制盤調(diào)制——典型的光強(qiáng)度調(diào)制器

應(yīng)用：－－紅外被動制導(dǎo)系統(tǒng)、紅外跟蹤系統(tǒng)－－激光波束制導(dǎo)，······光電掃描式調(diào)幅旋轉(zhuǎn)調(diào)頻調(diào)相式脈沖調(diào)寬最基本的作用：恒定的輻通量－－周期性輻通量a用調(diào)制盤抑制背景噪聲b用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波c用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位431)調(diào)制盤調(diào)制——典型的光強(qiáng)度調(diào)制器應(yīng)用：－－紅外被動制導(dǎo)a.用調(diào)制盤抑制背景噪聲有源帶通濾波器問題：如果光源1本身波動，該怎么解決？44a.用調(diào)制盤抑制背景噪聲有源帶通問題：如果光源1本身波動，b.用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波目標(biāo)輻射背景輻射目標(biāo)輻射背景輻射調(diào)制盤利用目標(biāo)和背景相對于系統(tǒng)的張角不同，調(diào)制盤可以抑制背景以突出目標(biāo)，從而把目標(biāo)從背景中分離出來－－空間濾波45b.用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波目標(biāo)輻射目標(biāo)輻射調(diào)制盤利用目標(biāo)和背中國轟-6型戰(zhàn)略轟炸機(jī)巡航南沙2007,05,09

目標(biāo)小張角背景大張角b.用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波46中國轟-6型戰(zhàn)略轟炸機(jī)巡航南沙2007,05,09目標(biāo)小空間濾波分析：初升太陽

調(diào)制盤小張角目標(biāo)調(diào)制圖大張角背景調(diào)制圖b.用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波47空間濾波分析：初升太陽小張角目標(biāo)大張角背景b.用調(diào)制盤進(jìn)行c.用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位目標(biāo)方位：目標(biāo)M'（ρ?，θ'）像點(diǎn)M（ρ，θ）48c.用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位目標(biāo)方位：目標(biāo)M'（ρ?，c.用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位目標(biāo)方位：像點(diǎn)M（ρ，θ）調(diào)制信號幅度－－ρ49c.用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位目標(biāo)方位：像點(diǎn)M（ρ，θ）調(diào)制信號初相位－－θ

比較目標(biāo)像在A、B位置輸出初相位50調(diào)制信號比較目標(biāo)像在A、B位置50調(diào)制盤小結(jié)：調(diào)制盤是一種光強(qiáng)度調(diào)制器恒定輻射通量－－>周期性輻射通量（1）靜止目標(biāo)像－>交流信號，抑制噪聲和光源波動的影響；（2）進(jìn)行空間濾波，抑制背景噪聲；（3）提供目標(biāo)方位空間信息。51調(diào)制盤小結(jié)：調(diào)制盤是一種光強(qiáng)度調(diào)制器恒定輻射通量－－>周期2)光柵調(diào)制光柵是具有周期性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、反射率等）的光學(xué)元件。計量光柵（空間周期P>>λ

）

衍射光柵（空間周期P≈λ

）

522)光柵調(diào)制光柵是具有周期性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、反－－光柵莫爾條紋典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：小夾角主光柵--定光柵指示光柵--動光柵53－－光柵莫爾條紋典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：小夾角主光柵--定光柵指－－光柵莫爾條紋典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：54－－光柵莫爾條紋典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：54tΦ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(qiáng)信號55tΦ光柵莫爾條紋原理：光通量明暗交替變化兩光柵移動，莫爾條紋用計量光柵實現(xiàn)光通量幅度調(diào)制：莫爾條紋圖案光柵每移動一個柵距P，條紋就跟著移動一個條紋寬度B。x＝NP

2)光柵調(diào)制56用計量光柵實現(xiàn)光通量幅度調(diào)制：莫爾條紋圖案光柵每移動一個應(yīng)用舉例：光柵線位移傳感器測量范圍：100mm-3000mm分辨率：10、5、1、0.5、0.1μm

2)光柵調(diào)制主光柵--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)57應(yīng)用舉例：光柵線位移傳感器測量范圍：100mm-3000m3.光電子調(diào)制1）電光調(diào)制2）聲光調(diào)制3）磁光調(diào)制583.光電子調(diào)制1）電光調(diào)制2）聲光調(diào)制3）磁光調(diào)制581）電光調(diào)制電光效應(yīng)

－－是指某些晶體在電場的作用下，具有雙折射效應(yīng)，其雙折射效應(yīng)的大小與電場強(qiáng)度有關(guān)電光調(diào)制器

－－是指利用晶體的電光效應(yīng)制成的調(diào)制器591）電光調(diào)制電光效應(yīng)電光調(diào)制器59光強(qiáng)度調(diào)制基本思路：電光調(diào)制器

輸入光（恒定強(qiáng)度）

輸出光（交變強(qiáng)度）

變化的電場光強(qiáng)度調(diào)制基本思路：電光調(diào)制器輸入光輸出光變化的電光調(diào)制原理：附加相位差可以證明：輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)之比（透過率）61電光調(diào)制原理：附加相位差可以證明：輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)之比（電光調(diào)制器小結(jié)調(diào)制頻率～10GHz，理論上可達(dá)120GHz可以作成幾乎沒有慣性的光閥

優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：透光比（光傳輸比）小于1調(diào)制電壓高（半波電壓幾千伏）應(yīng)用舉例：遠(yuǎn)距離激光測距光強(qiáng)度調(diào)制62電光調(diào)制器小結(jié)調(diào)制頻率～10GHz，理論上可達(dá)120GHz2）聲光調(diào)制(1)聲光效應(yīng)(2)聲光效應(yīng)的兩種類型(3)聲光調(diào)制器632）聲光調(diào)制(1)聲光效應(yīng)(2)聲光效應(yīng)的兩種類(1)聲光效應(yīng)當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折射率）發(fā)生疏密交替的周期性變化－－聲光柵－－聲光柵－－衍射光柵64(1)聲光效應(yīng)當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折射率）發(fā)生疏密交替的周期性變化－－聲光柵行波－－聲光柵柵面在空間移動

駐波－－聲光柵固定不移動

65當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折射率）發(fā)生疏密交替的－－聲光柵－－衍射光柵當(dāng)光波通過聲光柵時，衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等隨超聲場變化－－聲光效應(yīng)。66－－聲光柵－－衍射光柵當(dāng)光波通過聲光柵時，衍射光的強(qiáng)度、頻率喇曼－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)兩種聲光效應(yīng)67喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：條件：超聲波頻率較低，聲光作喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：特點(diǎn)：平面光柵，多級衍射，零級光最強(qiáng)，其他級衍射光對稱地分布在零級光兩側(cè)，光強(qiáng)依次遞減。特點(diǎn)：體光柵，只出現(xiàn)零級和一級衍射光;超聲場足夠強(qiáng)，入射能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到＋1級（－1級）布拉格聲光衍射光能利用率高，因而大部分調(diào)制器均采用行波聲場的布拉格型聲光調(diào)制器！68喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：特點(diǎn)：平面光柵，多級衍射，零（3）聲光調(diào)制器衍射光強(qiáng)度調(diào)制衍射光頻率調(diào)制衍射光方向調(diào)制－－應(yīng)用：69（3）聲光調(diào)制器衍射光強(qiáng)度調(diào)制衍射光頻率調(diào)制衍射光方向調(diào)制－(3)聲光調(diào)制器－－衍射光強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器＋1級（或－1級）光輸出IiI170(3)聲光調(diào)制器－－衍射光強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器＋1級(3)聲光調(diào)制器－－衍射光強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器輸入圖像、聲音信號強(qiáng)度調(diào)制光信號2）聲光調(diào)制71(3)聲光調(diào)制器－－衍射光強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器輸入圖二、光信號相位的調(diào)制1.電光相位調(diào)制2.光學(xué)干涉儀可實現(xiàn)相位調(diào)制的常見方法72二、光信號相位的調(diào)制1.電光相1.電光相位調(diào)制－－可以實現(xiàn)對單束相干光波相位的調(diào)制731.電光相位調(diào)制－－可以實現(xiàn)對單束相干光波相位的調(diào)制732.光學(xué)干涉儀－－可以實現(xiàn)兩束以上相干光波相位差的調(diào)制相位變化：φ=2nL/λ0

－－F為被測參量干涉條件：頻率相同、偏振相同、相位差恒定742.光學(xué)干涉儀－－可以實現(xiàn)兩束以上相干光波相位差的調(diào)制相邁克爾遜干涉儀（Michelson）吉曼干涉儀Gell-Mann法布里－珀羅Fabry-Perot光學(xué)干涉儀（空氣光程）光纖式干涉儀（光纖光程）光纖傳感器75邁克爾遜干涉儀吉曼干涉儀法布里－珀羅光學(xué)干涉儀光纖式干涉儀光等傾干涉圖樣示意圖等厚干涉圖樣示意圖76等傾干涉圖樣示意圖等厚干涉圖樣示意圖76

基于Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開關(guān)77基于Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開關(guān)77三、光信號頻率的調(diào)制工程上常采用的頻率調(diào)制技術(shù)大致三種：運(yùn)動參量調(diào)頻固定頻移直接光頻調(diào)制可調(diào)參數(shù)：－－光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······78三、光信號頻率的調(diào)制工程上常采用1.運(yùn)動參量調(diào)頻1）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻2）薩格納克效應(yīng)（SagnacEffect）和轉(zhuǎn)動差頻光頻變化與線速度：光頻變化與角速度：運(yùn)動物體能改變?nèi)肷溆谄渖系墓獠l率的現(xiàn)象稱作光學(xué)多普勒效應(yīng)。791.運(yùn)動參量調(diào)頻1）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻2）薩格納克效應(yīng)光（電磁波）的多普勒效應(yīng)計算公式分為以下三種：

（1）縱向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連線共線）：f‘=f[(c+v)/(c-v)]^(1/2)；其中v為波源與接收器的相對速度。當(dāng)波源與觀察者接近時，v取正，稱為“紫移”或“藍(lán)移”；否則v取負(fù)，稱為“紅移”。

（2）橫向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連線垂直）：f'=f(1-β^2)^(1/2)其中β=v/c

（3）普遍多普勒效應(yīng)（多普勒效應(yīng)的一般情況）：f'=f[(1-β^2)^(1/2)]/(1-βcosθ)

其中β=v/c，θ為接收器與波源的連線到速度方向的夾角。縱向與橫向多普勒效應(yīng)分別為θ取0或π/2時的特殊情況

1）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻80光（電磁波）的多普勒效應(yīng)計算公式分為以下三種：

1）光學(xué)多普特殊地，rs＝-r0

頻移數(shù)量級：例如，λ＝0.4880μm的氬離子激光，θ＝8.5o，被測流速υ＝264m/s，Δv＝77MHz81特殊地，rs＝-r0頻移數(shù)量級：例如，λ＝0.4880μ2）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻Ω

當(dāng)封閉的光路相對于慣性空間有一轉(zhuǎn)動角速度Ω時，順時針光路和逆時針光路之間將形成與轉(zhuǎn)速成正比的光程差ΔL，其數(shù)值滿足關(guān)系

閉合光路的正反向光路光程差隨轉(zhuǎn)速改變的現(xiàn)象---薩納克效應(yīng)。ΔL＝(4A/c)Ω822）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻Ω當(dāng)封閉的光路相對于慣性空2）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻討論：用薩格納克效應(yīng)

測量地球自轉(zhuǎn)速度ΔL＝(4A/c)Ω地球自轉(zhuǎn)Ω=150/小時λ=0.6328μm實驗不可能?。ㄅc足球場比較）——不易觀察

---更難觀察！光程差法：ΔL→Ω

？？？832）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻討論：用薩格納克效應(yīng)

2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻ΔL→Ω

？反射鏡組成激光諧振腔

--環(huán)形激光器

頻率與腔長的關(guān)系：ΔL＝(4A/c)Ω光頻差法：1.運(yùn)動參量調(diào)頻842)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻ΔL→Ω？反射鏡組成激光諧振腔頻一、運(yùn)動參量調(diào)頻2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻反射鏡組成激光諧振腔

--環(huán)形激光器

例：國內(nèi)L=400mm

λ=0.6328μm

K=2120度/秒地球自轉(zhuǎn)150/小時

對于頻率信號，電子設(shè)備可以敏感到0.005Hz，可用儀器準(zhǔn)確測出。85一、運(yùn)動參量調(diào)頻2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻反射鏡組成激光諧振光程差法：光頻差法：

國內(nèi)L=400mm

λ=0.6328μm

K=2120度/秒地球自轉(zhuǎn)150/小時光學(xué)法電學(xué)法光電系統(tǒng)中，光電信號變換的重要意義??！86光程差法：光頻差法：國內(nèi)L=400mm光學(xué)法電學(xué)法光電系2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器

光學(xué)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/hr872)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器光學(xué)差頻激光陀螺--測2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器

光學(xué)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/hr882)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器光學(xué)差頻激光陀螺--測激光陀螺--在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用——02年珠海航展慣導(dǎo)產(chǎn)品俄羅斯改進(jìn)空地制導(dǎo)武器

中國激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)

89激光陀螺--在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用——02年珠海航展慣導(dǎo)產(chǎn)品2.固定頻移利用光學(xué)和光電子學(xué)等方法可制成頻率偏移器件光譜在外加磁場下發(fā)生分裂。

902.固定頻移利用光學(xué)和光電子學(xué)等方法可制成頻率偏移器件光譜半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制iv1MHz～50－70GHz電流頻率調(diào)制系數(shù):0.1GHz/mA～1GHz/mA可調(diào)頻范圍:可以證明：LD3、直接頻率調(diào)制91半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制iv1MHz～50－70GHz電流四、光信號偏振的調(diào)制典型方法－－磁光調(diào)制

磁光介質(zhì)在磁場的作用下，可使穿過它的偏振光的振動方向發(fā)生發(fā)生旋轉(zhuǎn)－－法拉第磁光效應(yīng)。光隔離器92四、光信號偏振的調(diào)制典型方法－－典型方法－－磁光調(diào)制

磁光介質(zhì)在磁場的作用下，可使穿過它的偏振光的振動方向發(fā)生發(fā)生旋轉(zhuǎn)－－法拉第磁光效應(yīng)。磁光調(diào)制器93典型方法－－磁光調(diào)制磁光介質(zhì)在磁場的作用下，可使穿過它的偏摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》

5.4直接探測與相干探測955.4直接探測與相干探測95光－電信號變換

光電探測器光信號電信號響應(yīng)平均光功率

直接探測響應(yīng)光的頻率···

相干探測96光－電信號變換光電光信號電信號響應(yīng)平均光功率直

直接探測和相干探測

直接探測（平均光功率）

相干探測（光的波動參數(shù)）

探測方法的改進(jìn)光－電信號變換直接探測和相干探測直接探測（平均光功率）相干探測1.直接探測的基本原理2.直接探測的應(yīng)用舉例直接探測－－DrirectDetection，又稱為非相干探測裝置簡單，光源為相干光源或非相干光源，只能探測平均光功率（光強(qiáng)）一、直接探測981.直接探測的基本原理2.直接探測的應(yīng)用舉例直接探測－－(1)直接探測基本物理過程：平方律器件：光波：光功率：人眼和探測器可以響應(yīng)平均光功率1.直接探測的基本原理99(1)直接探測基本物理過程：平方律器件：光波：光功率：(2)直接探測系統(tǒng)的信噪比1)信噪比定義：－－電信號功率和電噪聲功率之比100(2)直接探測系統(tǒng)的信噪比1)信噪比定義：－－電信號功率和提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：－－光學(xué)方法，如場鏡、光錐、浸沒透鏡·····

－－－－－《應(yīng)用光學(xué)》－－電學(xué)方法，如濾波、低噪聲放大、弱信號檢測·······－－－－－熱力學(xué)方法，制冷降低探測器噪聲

信噪比是衡量光電探測系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)101提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：－－光學(xué)方法，如場鏡、光錐、浸沒透信號光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲散粒噪聲2)直接探測的信噪比極限：以光電二極管為例最理想情況，只有信號光電流引起的散粒噪聲－－直接探測的量子極限102信號光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲散粒噪聲2)直接－直接探測的量子極限量子極限的另一種表達(dá)是：－直接探測的噪聲等效功率例：η為1，Δf為1Hz，～2hν，已很接近單個光子的能量hν。E=

J=3.14×10-19J=1.96eV.

以632.8nm的氦氖激光為例計算光子能量103－直接探測的量子極限量子極限的另一種表達(dá)是：－直接探測的噪2.直接探測的應(yīng)用舉例激光制導(dǎo)、飛行物自動跟蹤激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺·········幾何量（長度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學(xué)參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場、磁場···）··············應(yīng)用于測量：應(yīng)用于控制：1042.直接探測的應(yīng)用舉例激光制導(dǎo)、飛行物自動跟蹤幾何量（長度、特點(diǎn)：信息加載－－輻通量（光強(qiáng)）幾何量（長度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學(xué)參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場、磁場···）··············輻通量（幅度、頻率、相位···）特點(diǎn)：信息加載－－輻通量（光強(qiáng)）幾何量（長度、位移····）例1.光電磁場測量磁場－－光通量（幅度）磁場振動方向旋轉(zhuǎn)角度光通量幅度106例1.光電磁場測量磁場－－光通量（幅度）磁場振動方向旋轉(zhuǎn)角例2.光柵莫爾條紋測位移t精度可達(dá)±0.1μm/m位移－－光通量（頻率）t107例2.光柵莫爾條紋測位移t精度可達(dá)±0.1μm/m位移－光通量的頻率測量光電轉(zhuǎn)速表光柵位移傳感器光通量的頻率測量光電轉(zhuǎn)速表光柵位移傳感器測“幅度”與“頻率”方法，測量精度的比較：基準(zhǔn)精度測量精度基準(zhǔn)穩(wěn)定方法幅度10-3～10-410-2～10-3模擬量穩(wěn)定電路頻率10-6～10-810-5～10-7晶振，數(shù)字鎖相環(huán)現(xiàn)代光電測量中常優(yōu)先考慮采用頻率測量法！

109測“幅度”與“頻率”方法，測量精度的比較：基準(zhǔn)精度測量精度基例3.光電測距發(fā)射光波接收光波距離－－光通量（相位）110例3.光電測距發(fā)射光波接收光波距離－－光通量（相位）110二、相干探測直接探測：（非相干探測）

相干探測：（光學(xué)外差探測）裝置簡單，光源為相干光源或非相干光源，只能探測光功率（光強(qiáng)）。

裝置復(fù)雜，光源必須為相干光源，間接探測光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。二、相干探測直接探測：（非相干探測）相干探測：（光學(xué)相干探測1.相干探測的基本原理2.相干探測的條件3.相干探測的應(yīng)用舉例－－CoherentDetection－－又稱為光外差探測

相干探測1.相干探測的基本原理2.相干探測的條件3.相(1)相干探測的物理過程原理框圖信號光ωs（本地、異地）參考光ωr雙頻光波：波前匹配條件：空間條件頻率條件偏振條件采用平方律探測器：（只響應(yīng)平均功率）高靈敏度、高頻響應(yīng)、量子效率PMT，PIN-PD，APD

光學(xué)混頻器：1.相干探測的基本原理113(1)相干探測的物理過程原理框圖信號光ωs（本地、異地1)相干探測的輸出信號信號光參考光平方律探測器光混頻輸出Ihs為：

1141)相干探測的輸出信號信號光參考光平方律探測器光混頻輸出Ih頻譜分析信號光<1010Hz115頻譜分析信號光<1010Hz115探測器、放大器－－濾波器（中頻輸出）特例：單頻雙光束干涉（頻差為0）－零差探測116探測器、放大器－－濾波器（中頻輸出）特例：單頻雙光束干涉（討論：相干探測的實質(zhì)a.平方律探測器b.頻率搬移－－光學(xué)混頻器117討論：相干探測的實質(zhì)a.平方律探測器b.頻率搬移－－光學(xué)混頻光電系統(tǒng)－－相干探測

混頻器選通放大器觀察儀器高頻示波器頻譜分析儀

外差接收△v，104～1010Hzνsνr無線電－－外差接收高頻載波本機(jī)振蕩混頻中頻信號解調(diào)

音頻圖像信息－－光外差探測118光電系統(tǒng)－－相干探測混頻器選通觀察儀器高頻示波器頻譜分析儀2)調(diào)制信號的探測相干探測_拍頻信號的調(diào)制1192)調(diào)制信號的探測相干探測_拍頻信號的調(diào)制119(2)相干探測的基本特性相干探測優(yōu)點(diǎn)：（與直接探測對比）探測能力強(qiáng)轉(zhuǎn)換增益高信噪比高濾波性好穩(wěn)定性和可靠性高(2)相干探測的基本特性相干探測優(yōu)點(diǎn)：（與直接探測對比）探相干探測優(yōu)點(diǎn)：探測能力強(qiáng)直接探測－－光的強(qiáng)度：as2振幅相位頻率光波的相干探測優(yōu)點(diǎn)：探測能力強(qiáng)直接探測－－光的強(qiáng)度：as2振幅相位相干探測優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換增益高Φr>>ΦsG~107－108

外差探測直接探測注意：功率為幅值有效值的平方122相干探測優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換增益高Φr>>ΦsG~107信號光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲散粒噪聲僅考慮信號光電流引起的散粒噪聲：直接探測的信噪比：相干探測優(yōu)點(diǎn)：信噪比高123信號光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲散粒噪聲僅考慮信號外差探測：僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制，即外差探測的量子探測極限教材61～62注意：為有效值124外差探測：僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制，即外差探測的量相干探測：直接探測：僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制相干探測信噪比高，最小可探測功率更小125相干探測：直接探測：僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制相干2.相干探測的條件(1)相干探測空間條件(2)相干探測頻率條件(3)相干探測偏振條件滿足波前匹配條件：2.相干探測的條件(1)相干探測空間條件(2)相干探測為什么需要角準(zhǔn)直？探測器表面各點(diǎn)相位相同時：探測器表面各點(diǎn)相位不同時：輸出信號－－最大值輸出信號－－減小(1)相干探測空間條件－－信號光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直（共軸）127為什么需要角準(zhǔn)直？探測器表面各點(diǎn)相位相同時：探測器表面各點(diǎn)為什么需要角準(zhǔn)直？探測器接收面上沿x方向各點(diǎn)的相位不同信號光和本振光的波前在光混頻器表面上沒有相同的位相關(guān)系

導(dǎo)致混頻輸出電流信號減小128為什么需要角準(zhǔn)直？探測器接收面上沿x方向各點(diǎn)的相位不同信號例：d=1mm，λs＝0.6328μm失配角：例：d=1mm，λs＝10.6μm失配角：定義：中頻輸出比最大值小10%時的主光線夾角為失配角對長波探測有利空間濾波129例：d=1mm，失配角：例：d=1mm，失配角：定義：中(2)相干探測頻率條件混頻器選通放大器觀察儀器高頻示波器頻譜分析儀

外差接收△v，104～1010Hz信號光和本振光的頻率漂移？？？采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光穩(wěn)頻措施：130(2)相干探測頻率條件混頻器選通觀察儀器高頻示波器頻譜分析(3)相干探測偏振條件平方律探測器光混頻輸出Ihs為：

“代數(shù)和”？信號光與本振光的偏振方向一致加檢偏器－－獲得偏振方向一致131(3)相干探測偏振條件平方律探測器光混頻輸出Ihs為：“3.相干探測的應(yīng)用舉例－－相位調(diào)制－－頻率調(diào)制干涉測量相干通信精密測長、測距、測速、測振動、測力、測應(yīng)變、光譜分析，······外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、光纖通中波分復(fù)用接收解調(diào)，······1323.相干探測的應(yīng)用舉例－－相位調(diào)制－－頻率調(diào)制干涉測量(2)激光多普勒測速(3)CO2激光外差通信(1)激光干涉測量133(2)激光多普勒測速(3)CO2激光外差通信(1)激光1)單頻激光測長

信號光參考光單頻(1)激光干涉測量位移ln=11341)單頻激光測長信號光參考光單頻(1)激光干涉測量位移1)單頻激光測長

例：取n=1,測量鏡位移時觀察到探測器的輸出為：l=?1.激光干涉測量局限性：－－不能判別移動方向1351)單頻激光測長例：取n=1,測量鏡位移時觀察到1)單頻激光測長

光電探測器4,5相位差參考光信號光判別移動方向：－－“參照物”1.激光干涉測量1361)單頻激光測長光電探測器4,5參考光信號光判別移動方向：1)單頻激光測長

判別移動方向：－－“參照物”1.激光干涉測量正反移動方向波形

1371)單頻激光測長判別移動方向：－－“參照物”1.激光干涉測1)單頻激光測長

信號光參考光缺點(diǎn)：空氣的折射率n與當(dāng)時的環(huán)境溫度、濕度

及氣壓等因素有關(guān)，影響測量精度2.雙頻激光測長

1.激光干涉測量1381)單頻激光測長信號光參考光缺點(diǎn)：空氣的折射率n與當(dāng)時的2)雙頻激光測長

雙頻激光干涉儀－雙頻激光－檢偏器－濾波片－信號光－參考光1.激光干涉測量1392)雙頻激光測長雙頻激光干涉儀－雙頻激光－檢偏器－濾2)雙頻激光測長

雙頻（調(diào)制）激光干涉儀光學(xué)差頻信號1.激光干涉測量1402)雙頻激光測長雙頻（調(diào)制）激光干涉儀光學(xué)差頻信號1.2)雙頻激光測長

光學(xué)差頻信號:積分器波數(shù):位移測量公式：－－位移與空氣的折射率n無關(guān)?。。?.激光干涉測量1412)雙頻激光測長光學(xué)差頻信號:積分器波數(shù):位移測量公2)雙頻激光測長

雙頻激光干涉儀頻差為1～50MHz，激光穩(wěn)頻精度為10－8時，測長精度0.1μm1.激光干涉測量1422)雙頻激光測長雙頻激光干涉儀頻差為1～50MHz，1.3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析表面形狀分布二維光強(qiáng)分布亮條紋擴(kuò)束1.激光干涉測量壓電陶瓷：伸長（縮短）量Δl=kU

－ΔLr

1433)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析表面形狀分布二維光強(qiáng)分布3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析

物面凹凸不平程度

相位分布基本思路：亮條紋

二維干涉圖樣1.激光干涉測量1443)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析物面凹凸相位分布基本思路表面形狀分布二維光強(qiáng)分布亮條紋動態(tài)檢測：精度λ/100

靜態(tài)檢測：精度λ/20

二次相位調(diào)制

3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析1.激光干涉測量145表面形狀分布二維光強(qiáng)分布亮條紋動態(tài)檢測：精度λ/103)二維干涉圖測量二次相位調(diào)制的實現(xiàn)途徑

二次相位調(diào)制

移動參考鏡參考鏡1463)二維干涉圖測量二次相位調(diào)制的實現(xiàn)途徑二次相位調(diào)制移階梯波掃描時的干涉圖：干涉圖樣：時序信號：tI3)二維干涉圖測量147階梯波掃描時的干涉圖：干涉圖樣：時序信號：tI3)二維干涉圖i.干涉面上任意一點(diǎn)x的光強(qiáng)分布都可以展開為參考光相位φr的時序調(diào)制，即可將干涉空間圖轉(zhuǎn)換為時序信號：ii.被測光信息的相位φs(x)可由下式計算得出，并由此確定面形的凹凸程度：3)二維干涉圖測量148i.干涉面上任意一點(diǎn)x的光強(qiáng)分布都可以展開為參考光相位φr的1.激光干涉測量一種改進(jìn)的泰曼-格林干涉儀雙頻平面外差干涉測量系統(tǒng)單頻平面干涉λ/100雙頻平面干涉λ/10003)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析1491.激光干涉測量一種改進(jìn)的泰曼-格林干涉儀雙頻平面外差3.CO2激光外差通信光通信光纖通信大氣光通信半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度調(diào)制直接探測CO2激光器光波頻率或相位調(diào)制相干探測3.CO2激光外差通信光通信光纖通信大氣光通信半導(dǎo)體激光器CO2激光外差通信頻率或者相位調(diào)制相干探測－－外層空間星際通信151CO2激光外差通信頻率或者相位調(diào)制相干探光纖通信強(qiáng)度調(diào)制

直接探測應(yīng)用·······相干探測152光纖通信強(qiáng)度調(diào)制相干探測152相干探測可用于光纖通信中波分復(fù)用接收解調(diào)···發(fā)送端接收端λ1λ2···λn強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制···復(fù)用相干接收···相干接收相干接收λ1λ2···λn光纖相干探測可用于光纖通信中波分復(fù)用接收解調(diào)···發(fā)送端接收端5.4小結(jié)：

1.直接探測是用探測器直接測量光強(qiáng)度（光通量）信息，噪聲等效功率極限該方法設(shè)備簡單，對光源的相干性無要求。

2.相干探測是利用信號光和本征光在探測器上混合產(chǎn)生拍頻信號來測量光波的幅度、頻率和相位等信息

，噪聲等效功率極限信噪比高、濾波性好等優(yōu)點(diǎn)，要求滿足空間、頻率和偏振條件，設(shè)備較復(fù)雜，要求光源相干性好。－－相位調(diào)制檢測（單一頻分光，干涉測量）－－頻率調(diào)制檢測（運(yùn)動參量、固定頻移和直接調(diào)頻）1545.4小結(jié)：1.直接探測是用探測器直接測量光強(qiáng)度（光此課件下載可自行編輯修改，供參考！感謝您的支持，我們努力做得更好！155此課件下載可自行編輯修改，供參考！155光電探測與信號處理

第五章信息的光學(xué)變換156光電探測與信號處理第五章信息的光學(xué)變換15.2光信號調(diào)制的基本原理5.3光信號調(diào)制的基本方法5.4直接探測和相干探測5.1光信號調(diào)制的概述5.2光信號調(diào)制的基本原理5.3光信號調(diào)制的基本方法5.光學(xué)探測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形成能被光電探測器接收、便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。158光學(xué)探測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形成能被光電探測器接收、便于后續(xù)電學(xué)處光學(xué)信號變換舉例光強(qiáng)度調(diào)制，······光纖通信系統(tǒng)159光學(xué)信號變換舉例光強(qiáng)度調(diào)制，······光纖通信系統(tǒng)4光學(xué)信號變換舉例光機(jī)掃描擴(kuò)大視場光譜濾波消除背景輻射干擾色散光柵實現(xiàn)光譜的空間分離光強(qiáng)度調(diào)制，······光電系統(tǒng)中光學(xué)信號變換有著重要的意義，其變換方法也很多。重點(diǎn)講述光信號的強(qiáng)度、頻率、相位和偏振等參數(shù)的調(diào)制。160光學(xué)信號變換舉例光機(jī)掃描擴(kuò)大視場光譜濾波消除背景輻射干擾色

5.1光信號調(diào)制概述1615.1光信號調(diào)制概述6光波是信息的載體，通常稱為光載波。1.載波的特征參數(shù)？

2.調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制

3.二次調(diào)制的意義

162光波是信息的載體，通常稱為光載波。1.載波的特征參數(shù)？21.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(qiáng)度振幅頻率相位特征參數(shù)：－－光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······

光的強(qiáng)度（輻通量）－－光強(qiáng)是使用最為廣泛的特征參數(shù)1631.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(qiáng)2.調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制

光學(xué)調(diào)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(qiáng)、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······一次調(diào)制二次調(diào)制

光學(xué)調(diào)制1642.調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制光學(xué)調(diào)制是指改變光載波的一個例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(diào)制，稱為一次調(diào)制

165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，生長例2光纖通信系統(tǒng)－－將聲音、圖像信息加載到光波上

將光載波先人為地調(diào)制成隨時間或空間變化（按確定的規(guī)律變換載波信號），然后再將被測信息調(diào)制到光載波上，稱為二次調(diào)制166例2光纖通信系統(tǒng)－－將聲音、圖像信息加載到光波上將例3：利用調(diào)制光測量液體濃度液體濃度（信息）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制

一次調(diào)制調(diào)制盤（確定時間規(guī)律）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制為

二次調(diào)制

167例3：利用調(diào)制光測量液體濃度液體濃度（信息）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)二次調(diào)制的意義？？？聲音、圖像－－加載信息抑制干擾－－改善品質(zhì)168二次調(diào)制的意義？？？聲音、圖像抑制干擾135.1光信號調(diào)制的概述－－小結(jié)光波是信息的載體，通常稱為光載波。光學(xué)調(diào)制是指改變光載波的一個或者幾個特征參數(shù)的過程。將信息直接加載到光載波上的調(diào)制，稱為一次調(diào)制

將光載波先人為地調(diào)制成隨時間或空間變化（按確定的規(guī)律變換載波信號），然后再將被測信息調(diào)制到光載波上，稱為二次調(diào)制

光電系統(tǒng)中常用的調(diào)制大多是二次調(diào)制

光的強(qiáng)度（輻通量）－－光強(qiáng)是使用最為廣泛的調(diào)制參數(shù)1695.1光信號調(diào)制的概述－－小結(jié)光波是信息的載體，通常稱

5.2光信號調(diào)制的基本原理1705.2光信號調(diào)制的基本原理15一、模擬調(diào)制二、脈沖調(diào)制三、編碼調(diào)制以光信號的強(qiáng)度（輻通量）調(diào)制為例討論，適用于光波的振幅、相位和頻率等參數(shù)的調(diào)制171一、模擬調(diào)制二、脈沖調(diào)制三、編碼調(diào)制以光信號的強(qiáng)度（輻一、模擬調(diào)制振幅調(diào)制(AM)頻率調(diào)制(FM)相位調(diào)制(PM)－－又稱為連續(xù)波調(diào)制172一、模擬調(diào)制振幅調(diào)制(AM)頻率調(diào)制(FM)相位調(diào)制(P1.振幅調(diào)制(AM)載波調(diào)制波調(diào)幅波信息振幅調(diào)制：載波的包絡(luò)變化－－信息1731.振幅調(diào)制(AM)載波調(diào)制波調(diào)幅波信息振幅調(diào)制

例.利用調(diào)制光測量液體的濃度

載波信息思考：如果溶液的濃度逐步加大，調(diào)制波形？174例.利用調(diào)制光測量液體的濃度載波信息思考：如果溶液的載波信息振幅討論：（1）調(diào)制指數(shù)m對調(diào)幅波形的影響175載波信息振幅討論：（1）調(diào)制指數(shù)m對調(diào)幅波形的影響2017621載波信息振幅討論：（2）調(diào)幅對頻譜的影響177載波信息振幅討論：（2）調(diào)幅對頻譜的影響22調(diào)幅波頻譜信號變換－－頻率搬移

調(diào)幅波帶寬B=2F信息“頻率”載波“頻率”178調(diào)幅波頻譜信號變換－－頻率搬移調(diào)幅波帶寬B=2F信息調(diào)幅波頻譜：單一頻率調(diào)制信號179調(diào)幅波頻譜：單一頻率調(diào)制信號24調(diào)幅波頻譜：多個頻率調(diào)制信號180調(diào)幅波頻譜：多個頻率調(diào)制信號25振幅調(diào)制應(yīng)用實例振幅調(diào)制應(yīng)用實例振幅調(diào)制應(yīng)用實例振幅調(diào)制應(yīng)用實例2.頻率調(diào)制(FM)載波信息頻率調(diào)制：載波的頻率變化－－信息1832.頻率調(diào)制(FM)載波信息頻率調(diào)制：載波的頻率變化－--頻率調(diào)制指數(shù)mf>1寬帶調(diào)頻mf<<1窄帶調(diào)頻當(dāng)184--頻率調(diào)制指數(shù)mf>1寬帶調(diào)頻當(dāng)29--頻率調(diào)制指數(shù)mf>1寬帶調(diào)頻mf<<1窄帶調(diào)頻討論：調(diào)制指數(shù)m對調(diào)頻波形的影響例：FM立體聲廣播載波:91.8MHz音頻:<20kHz--頻率調(diào)制指數(shù)mf>1寬帶調(diào)頻討論：調(diào)制指數(shù)m光學(xué)信號的調(diào)制課件例：利用V/F（電壓/頻率）變換器產(chǎn)生調(diào)頻光信號U0－－載波頻率Ui－－調(diào)制頻率187例：利用V/F（電壓/頻率）變換器產(chǎn)生調(diào)頻光信號U0－－載電壓/頻率變換器工作示意圖電壓/頻率變換器工作示意圖調(diào)頻光信號產(chǎn)生實例調(diào)頻光信號產(chǎn)生實例二、脈沖調(diào)制原始脈沖波形脈沖幅度調(diào)制脈沖頻率調(diào)制脈沖寬度調(diào)制應(yīng)用：－－激光測距、目標(biāo)跟蹤與識別等······190二、脈沖調(diào)制原始脈沖波形脈沖幅度調(diào)制脈沖頻率調(diào)制脈沖三、編碼調(diào)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(jìn)制編碼，然后對載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。模擬量4，8，……0100，1000，……脈沖量數(shù)字信號三、編碼調(diào)制抽樣量化編碼5.3光學(xué)信號調(diào)制的基本方法5.3光學(xué)信號調(diào)制的基本方法可調(diào)參數(shù)：－－光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······二、光信號相位的調(diào)制一、光信號強(qiáng)度的調(diào)制三、光信號頻率的調(diào)制四、光信號偏振的調(diào)制193可調(diào)參數(shù)：二、光信號相位的調(diào)制一一、光信號強(qiáng)度的調(diào)制可實現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制典型的方法2.機(jī)電調(diào)制3.光電子調(diào)制1.輻射源調(diào)制

194一、光信號強(qiáng)度的調(diào)制可實現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制典型的方法2.機(jī)電調(diào)制1)半導(dǎo)體激光器調(diào)制－－調(diào)制頻率40GHz摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作1.輻射源調(diào)制--改變輸入電流來實現(xiàn)光強(qiáng)度的調(diào)制1)半導(dǎo)體激光器調(diào)制－－調(diào)制頻率40GHz摘自國家精品課程《2)發(fā)光二極管調(diào)制－－調(diào)制頻率100MHz摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作－中短距離光電測距－光通信，······2)發(fā)光二極管調(diào)制－－調(diào)制頻率100MHz摘自國家精品課程2.機(jī)電調(diào)制1)調(diào)制盤調(diào)制2)光柵莫爾條紋調(diào)制2.機(jī)電調(diào)制1)調(diào)制盤調(diào)制2)光柵莫爾條紋調(diào)制1)調(diào)制盤調(diào)制——典型的光強(qiáng)度調(diào)制器

應(yīng)用：－－紅外被動制導(dǎo)系統(tǒng)、紅外跟蹤系統(tǒng)－－激光波束制導(dǎo)，······光電掃描式調(diào)幅旋轉(zhuǎn)調(diào)頻調(diào)相式脈沖調(diào)寬最基本的作用：恒定的輻通量－－周期性輻通量a用調(diào)制盤抑制背景噪聲b用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波c用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位1981)調(diào)制盤調(diào)制——典型的光強(qiáng)度調(diào)制器應(yīng)用：－－紅外被動制導(dǎo)a.用調(diào)制盤抑制背景噪聲有源帶通濾波器問題：如果光源1本身波動，該怎么解決？199a.用調(diào)制盤抑制背景噪聲有源帶通問題：如果光源1本身波動，b.用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波目標(biāo)輻射背景輻射目標(biāo)輻射背景輻射調(diào)制盤利用目標(biāo)和背景相對于系統(tǒng)的張角不同，調(diào)制盤可以抑制背景以突出目標(biāo)，從而把目標(biāo)從背景中分離出來－－空間濾波200b.用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波目標(biāo)輻射目標(biāo)輻射調(diào)制盤利用目標(biāo)和背中國轟-6型戰(zhàn)略轟炸機(jī)巡航南沙2007,05,09

目標(biāo)小張角背景大張角b.用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波201中國轟-6型戰(zhàn)略轟炸機(jī)巡航南沙2007,05,09目標(biāo)小空間濾波分析：初升太陽

調(diào)制盤小張角目標(biāo)調(diào)制圖大張角背景調(diào)制圖b.用調(diào)制盤進(jìn)行空間濾波202空間濾波分析：初升太陽小張角目標(biāo)大張角背景b.用調(diào)制盤進(jìn)行c.用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位目標(biāo)方位：目標(biāo)M'（ρ?，θ'）像點(diǎn)M（ρ，θ）203c.用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位目標(biāo)方位：目標(biāo)M'（ρ?，c.用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位目標(biāo)方位：像點(diǎn)M（ρ，θ）調(diào)制信號幅度－－ρ204c.用調(diào)制盤確定目標(biāo)方位目標(biāo)方位：像點(diǎn)M（ρ，θ）調(diào)制信號初相位－－θ

比較目標(biāo)像在A、B位置輸出初相位205調(diào)制信號比較目標(biāo)像在A、B位置50調(diào)制盤小結(jié)：調(diào)制盤是一種光強(qiáng)度調(diào)制器恒定輻射通量－－>周期性輻射通量（1）靜止目標(biāo)像－>交流信號，抑制噪聲和光源波動的影響；（2）進(jìn)行空間濾波，抑制背景噪聲；（3）提供目標(biāo)方位空間信息。206調(diào)制盤小結(jié)：調(diào)制盤是一種光強(qiáng)度調(diào)制器恒定輻射通量－－>周期2)光柵調(diào)制光柵是具有周期性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、反射率等）的光學(xué)元件。計量光柵（空間周期P>>λ

）

衍射光柵（空間周期P≈λ

）

2072)光柵調(diào)制光柵是具有周期性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、反－－光柵莫爾條紋典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：小夾角主光柵--定光柵指示光柵--動光柵208－－光柵莫爾條紋典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：小夾角主光柵--定光柵指－－光柵莫爾條紋典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：209－－光柵莫爾條紋典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：54tΦ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(qiáng)信號210tΦ光柵莫爾條紋原理：光通量明暗交替變化兩光柵移動，莫爾條紋用計量光柵實現(xiàn)光通量幅度調(diào)制：莫爾條紋圖案光柵每移動一個柵距P，條紋就跟著移動一個條紋寬度B。x＝NP

2)光柵調(diào)制211用計量光柵實現(xiàn)光通量幅度調(diào)制：莫爾條紋圖案光柵每移動一個應(yīng)用舉例：光柵線位移傳感器測量范圍：100mm-3000mm分辨率：10、5、1、0.5、0.1μm

2)光柵調(diào)制主光柵--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)212應(yīng)用舉例：光柵線位移傳感器測量范圍：100mm-3000m3.光電子調(diào)制1）電光調(diào)制2）聲光調(diào)制3）磁光調(diào)制2133.光電子調(diào)制1）電光調(diào)制2）聲光調(diào)制3）磁光調(diào)制581）電光調(diào)制電光效應(yīng)

－－是指某些晶體在電場的作用下，具有雙折射效應(yīng)，其雙折射效應(yīng)的大小與電場強(qiáng)度有關(guān)電光調(diào)制器

－－是指利用晶體的電光效應(yīng)制成的調(diào)制器2141）電光調(diào)制電光效應(yīng)電光調(diào)制器59光強(qiáng)度調(diào)制基本思路：電光調(diào)制器

輸入光（恒定強(qiáng)度）

輸出光（交變強(qiáng)度）

變化的電場光強(qiáng)度調(diào)制基本思路：電光調(diào)制器輸入光輸出光變化的電光調(diào)制原理：附加相位差可以證明：輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)之比（透過率）216電光調(diào)制原理：附加相位差可以證明：輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)之比（電光調(diào)制器小結(jié)調(diào)制頻率～10GHz，理論上可達(dá)120GHz可以作成幾乎沒有慣性的光閥

優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：透光比（光傳輸比）小于1調(diào)制電壓高（半波電壓幾千伏）應(yīng)用舉例：遠(yuǎn)距離激光測距光強(qiáng)度調(diào)制217電光調(diào)制器小結(jié)調(diào)制頻率～10GHz，理論上可達(dá)120GHz2）聲光調(diào)制(1)聲光效應(yīng)(2)聲光效應(yīng)的兩種類型(3)聲光調(diào)制器2182）聲光調(diào)制(1)聲光效應(yīng)(2)聲光效應(yīng)的兩種類(1)聲光效應(yīng)當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折射率）發(fā)生疏密交替的周期性變化－－聲光柵－－聲光柵－－衍射光柵219(1)聲光效應(yīng)當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折射率）發(fā)生疏密交替的周期性變化－－聲光柵行波－－聲光柵柵面在空間移動

駐波－－聲光柵固定不移動

220當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折射率）發(fā)生疏密交替的－－聲光柵－－衍射光柵當(dāng)光波通過聲光柵時，衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等隨超聲場變化－－聲光效應(yīng)。221－－聲光柵－－衍射光柵當(dāng)光波通過聲光柵時，衍射光的強(qiáng)度、頻率喇曼－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)兩種聲光效應(yīng)222喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：條件：超聲波頻率較低，聲光作喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：特點(diǎn)：平面光柵，多級衍射，零級光最強(qiáng)，其他級衍射光對稱地分布在零級光兩側(cè)，光強(qiáng)依次遞減。特點(diǎn)：體光柵，只出現(xiàn)零級和一級衍射光;超聲場足夠強(qiáng)，入射能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到＋1級（－1級）布拉格聲光衍射光能利用率高，因而大部分調(diào)制器均采用行波聲場的布拉格型聲光調(diào)制器！223喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：特點(diǎn)：平面光柵，多級衍射，零（3）聲光調(diào)制器衍射光強(qiáng)度調(diào)制衍射光頻率調(diào)制衍射光方向調(diào)制－－應(yīng)用：224（3）聲光調(diào)制器衍射光強(qiáng)度調(diào)制衍射光頻率調(diào)制衍射光方向調(diào)制－(3)聲光調(diào)制器－－衍射光強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器＋1級（或－1級）光輸出IiI1225(3)聲光調(diào)制器－－衍射光強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器＋1級(3)聲光調(diào)制器－－衍射光強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器輸入圖像、聲音信號強(qiáng)度調(diào)制光信號2）聲光調(diào)制226(3)聲光調(diào)制器－－衍射光強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器輸入圖二、光信號相位的調(diào)制1.電光相位調(diào)制2.光學(xué)干涉儀可實現(xiàn)相位調(diào)制的常見方法227二、光信號相位的調(diào)制1.電光相1.電光相位調(diào)制－－可以實現(xiàn)對單束相干光波相位的調(diào)制2281.電光相位調(diào)制－－可以實現(xiàn)對單束相干光波相位的調(diào)制732.光學(xué)干涉儀－－可以實現(xiàn)兩束以上相干光波相位差的調(diào)制相位變化：φ=2nL/λ0

－－F為被測參量干涉條件：頻率相同、偏振相同、相位差恒定2292.光學(xué)干涉儀－－可以實現(xiàn)兩束以上相干光波相位差的調(diào)制相邁克爾遜干涉儀（Michelson）吉曼干涉儀Gell-Mann法布里－珀羅Fabry-Perot光學(xué)干涉儀（空氣光程）光纖式干涉儀（光纖光程）光纖傳感器230邁克爾遜干涉儀吉曼干涉儀法布里－珀羅光學(xué)干涉儀光纖式干涉儀光等傾干涉圖樣示意圖等厚干涉圖樣示意圖231等傾干涉圖樣示意圖等厚干涉圖樣示意圖76

基于Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開關(guān)232基于Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開關(guān)77三、光信號頻率的調(diào)制工程上常采用的頻率調(diào)制技術(shù)大致三種：運(yùn)動參量調(diào)頻固定頻移直接光頻調(diào)制可調(diào)參數(shù)：－－光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、－－偏振方向、傳播方向，······233三、光信號頻率的調(diào)制工程上常采用1.運(yùn)動參量調(diào)頻1）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻2）薩格納克效應(yīng)（SagnacEffect）和轉(zhuǎn)動差頻光頻變化與線速度：光頻變化與角速度：運(yùn)動物體能改變?nèi)肷溆谄渖系墓獠l率的現(xiàn)象稱作光學(xué)多普勒效應(yīng)。2341.運(yùn)動參量調(diào)頻1）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻2）薩格納克效應(yīng)光（電磁波）的多普勒效應(yīng)計算公式分為以下三種：

（1）縱向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連線共線）：f‘=f[(c+v)/(c-v)]^(1/2)；其中v為波源與接收器的相對速度。當(dāng)波源與觀察者接近時，v取正，稱為“紫移”或“藍(lán)移”；否則v取負(fù)，稱為“紅移”。

（2）橫向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連線垂直）：f'=f(1-β^2)^(1/2)其中β=v/c

（3）普遍多普勒效應(yīng)（多普勒效應(yīng)的一般情況）：f'=f[(1-β^2)^(1/2)]/(1-βcosθ)

其中β=v/c，θ為接收器與波源的連線到速度方向的夾角?？v向與橫向多普勒效應(yīng)分別為θ取0或π/2時的特殊情況

1）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻235光（電磁波）的多普勒效應(yīng)計算公式分為以下三種：

1）光學(xué)多普特殊地，rs＝-r0

頻移數(shù)量級：例如，λ＝0.4880μm的氬離子激光，θ＝8.5o，被測流速υ＝264m/s，Δv＝77MHz236特殊地，rs＝-r0頻移數(shù)量級：例如，λ＝0.4880μ2）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻Ω

當(dāng)封閉的光路相對于慣性空間有一轉(zhuǎn)動角速度Ω時，順時針光路和逆時針光路之間將形成與轉(zhuǎn)速成正比的光程差ΔL，其數(shù)值滿足關(guān)系

閉合光路的正反向光路光程差隨轉(zhuǎn)速改變的現(xiàn)象---薩納克效應(yīng)。ΔL＝(4A/c)Ω2372）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻Ω當(dāng)封閉的光路相對于慣性空2）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻討論：用薩格納克效應(yīng)

測量地球自轉(zhuǎn)速度ΔL＝(4A/c)Ω地球自轉(zhuǎn)Ω=150/小時λ=0.6328μm實驗不可能?。ㄅc足球場比較）——不易觀察

---更難觀察！光程差法：ΔL→Ω

？？？2382）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻討論：用薩格納克效應(yīng)

2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻ΔL→Ω

？反射鏡組成激光諧振腔

--環(huán)形激光器

頻率與腔長的關(guān)系：ΔL＝(4A/c)Ω光頻差法：1.運(yùn)動參量調(diào)頻2392)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻ΔL→Ω？反射鏡組成激光諧振腔頻一、運(yùn)動參量調(diào)頻2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻反射鏡組成激光諧振腔

--環(huán)形激光器

例：國內(nèi)L=400mm

λ=0.6328μm

K=2120度/秒地球自轉(zhuǎn)150/小時

對于頻率信號，電子設(shè)備可以敏感到0.005Hz，可用儀器準(zhǔn)確測出。240一、運(yùn)動參量調(diào)頻2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻反射鏡組成激光諧振光程差法：光頻差法：

國內(nèi)L=400mm

λ=0.6328μm

K=2120度/秒地球自轉(zhuǎn)150/小時光學(xué)法電學(xué)法光電系統(tǒng)中，光電信號變換的重要意義??！241光程差法：光頻差法：國內(nèi)L=400mm光學(xué)法電學(xué)法光電系2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器

光學(xué)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/hr2422)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器光學(xué)差頻激光陀螺--測2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器

光學(xué)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/hr2432)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器光學(xué)差頻激光陀螺--測激光陀螺--在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用——02年珠海航展慣導(dǎo)產(chǎn)品俄羅斯改進(jìn)空地制導(dǎo)武器

中國激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)

244激光陀螺--在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用——02年珠海航展慣導(dǎo)產(chǎn)品2.固定頻移利用光學(xué)和光電子學(xué)等方法可制成頻率偏移器件光譜在外加磁場下發(fā)生分裂。

2452.固定頻移利用光學(xué)和光電子學(xué)等方法可制成頻率偏移器件光譜半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制