第8章 光辐射的调制

（4）受抑全反射调制器
利用全反射条件成立与否可实现光 调制。它还可将一束入射光分解为两束 调制光输出，其原理如图 8所示。将两块 直角棱镜的斜面密合在一起，其中一块 位置固定称固定棱镜，另一块下部与压 电晶体相联接称运动棱镜。压电晶体在 外加交变电压的作用下产生变形，从而 带动运动棱镜上下振动，使得两棱镜斜 面间产生光学接触或分离两种状态。在 交变电压作用下，压电晶体周期性地变 图8 受抑全反射调制器 形，使入射光束分解为两束相互垂直相 位相反的调制光。
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二次调制的意义？？？
输入 驱动 电路 InGaAsP 激光器 C 光纤
PIN
RL 放大器
判别 电路
输出
声音、图像 －－加载信息
抑制干扰 －－改善品质
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光波是信息的载体，通常称为光载波。光学调制是 指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。 光的强度
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光载波的特征参数
－－人眼和探测器起作用的是光波的电场强度
E
E0 cos(2π vt + ϕ0 )
振幅 频率 相位
光的强度
（辐通量）
I∝E
2 0
－－光强是使用最为广 泛的特征参数
特征参数： －－光强、振幅、频率、相位、 －－偏振方向、传播方向，··· ···
21
(2)恒流驱动 在恒流系统中，负载电阻 消耗的功率为：
P = I 2R
给负载提供的功率与负载 电阻成正比。如果加入一并联 镇流电阻，负载上的电流会随 着负载电阻的增大而减小。电 路示意图如左图所示。右图为 有无镇流电阻情况下，光源消 耗功率的比较。
恒流驱动电路示意图
镇流电阻对恒流驱动下光源供电功率的影响 北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》 22
－－ 地面植物反射太阳光的光谱，生长状况信息 将信息直接加载到光载波上的调制，称为一次调制
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例2 光纤通信系统
输入 驱动 电路 InGaAsP 激光器 C 光纤 判别 电路
PIN
RL
放大器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
输出
－－ 将声音、图像信息加载到光波上 人为地按确定的规律变换载波信号，称为二次调制
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例3：激光脉冲测距 主波
回波 －－ 脉冲调制将信息加载到光波上？ 人为地按确定的规律变换载波信号，称为二次调制
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例4：利用调制光测量液体浓度
液体浓度（信息）对光强参数的调制 一次调制 调制盘（确定时间规律）对光强参数的调制为 二次调制
S = hb − hb cos 2 α = 1 hb(1 − cos 2α ) 2
由式可见通光面积与转角 之间是正弦 波形的关系，只要光束充满整个光阑， 且光束截面中。通量均匀分布，则该 调制器可实现对光束的正弦调制。该 方案的缺点是要求有较大的光束截面， 又始终最少有大约50℅的光束通量被 图10 旋转叶片正弦调制器 光阑挡住而损失。
3
光学信号变换
光电信号 变换与处理
光－电信号变换 电学信号变换
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4
光学信号变换 举例
红外导引头 探测系统
场镜、浸没透镜等光学系统会聚目标辐射能量
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光学信号变换 举例
光纤通信系统
输入 驱动 电路 InGaAsP 激光器 C 光纤
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3. 常用的机械调制法 （1）调制盘及调制波形 最简单的调制盘，有时叫 做斩波器，如图3所示。在圆形 的板上由透明和不透明相间的 扇形区构成。当以圆盘中心为 轴旋转时，就可以对通过它的 光束M进行调制。经调制后的 波形是由光束的截面形状和大 小，以及调制盘图形的结构决 定。调制光束的频率f由调制盘 中透光扇形的个数N和调制盘 的转速n决定，f＝Nn/60(Hz)。
调制可分为三类，调幅( a0 )、调频( ω 或 f ) 和调相( ϕ )。实际上常产生混合调制，如调幅、调 相同时存在或调幅、调频同时存在等调制形式。
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1
光电信号变换与处理
例：激光脉冲测距
1 2
光学信号变换 光－电信号变换
主波
3
5
4
D
回波
距离：D = 0.5× c ×t
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光电信号变换与处理 例：激光脉冲测距
测量时间t
电学信号变换
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图2 光敏电阻的调制电路
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（3）在光电器件输出至放大器间进行光电信号的调制 这类调制方法很多，对信号电流或电压进行调制， 又叫做电路调制。如晶体管调制器、场效应管调制器 和振子调制器等，把直流电量转换为交变电量。
（4）在光源与光电器件的途径中进行调制 这种调制方法在光电检测中应用最多，如机械调 制法、干涉调制法、偏振面旋转调制法、双折射调制 法和声光调制法等。
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调制：一次调制和二次调制 特征参数： －－光强、振幅、频率、相位、 －－偏振方向、传播方向，··· ··· 光学调制是指改变光载波的一个或者几个特征参数 的过程。 一次调制 广义的光学调制 二次调制
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例1.卫星遥感农作物产量
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新型电调制红外光源 脉冲红外光源原理与特性 (1)红外灯丝技术 如图所示，通过生成随机的表面纤维（亚微米尺度的 条形和锥形），这些红外光源金属丝的发射率得到增强和 控制。
pulsIR及其SEM显微图
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(2)温度调制 离子束处理过的发射体表面的高发射率，使之可以经 由热发射后有效而迅速地冷却。左图所示红外图像为 Ion Optics光源由电脉冲驱动的红外图像；右图显示的为一传 统光源在电脉冲驱动下的红外图像。
第8章 光辐射的调制

一般光电信号的调制

调制检测光信号的优点 光电信号调制的途径 常用的机械调制法
利用物理光学原理实现的光调 制技术 利用干涉现象实现光调制 利用偏振光振动面旋转进 行光调制 利用双折射进行光调制 利用声光效应的光调制


专用调制盘 调制波及调制的分类 目标偏移量的表示 调幅式调制的实现 调频式调制的实现 调相式调制的实现
（辐通量）
I∝E
2 0
－－光强是使用最为广 泛的调制参数
将信息直接加载到光载波上的调制，称为一次调制 人为地按确定的规律变换载波信号，称为二次调制 光电系统中常用的调制大多是二次调制
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8.1 一般光电信号的调制 1．调制检测光信号的优点 (1)调制检测光信号可以减少自然光或杂散光对检测 结果的影响。 (2)调制检测光信号可以消除光电探测器暗电流对检 测结果的影响。 (3)调制检测光信号的方法提供了多种形式的信号处 理方案，可达到最佳检测的设计。通常交流电路 处理信号方便、稳定，而没有直流放大器零点漂 移的问题。 (4)调制检测光信号的方法还提供了多种调制方案， 如调幅、调频和调相等，从而扩大了应用范围。
PIN
RL 放大器
判别 电路
输出
光强度调制，··· ···
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光学信号变换 举例
场镜、光锥等光学系统会聚目标辐射能量 光机扫描扩大视场 光谱滤波消除背景辐射干扰 色散光栅实现光谱的空间分离 光强度调制，··· ···
光电系统中光学信号变换有着重要的意义，其变换方法 也很多。本章重点讲述光信号的强度、频率、相位和偏 振等参数的调制。
P =U R
恒压驱动电路示意图
给负载提供的功率与负载电阻成 反比。如果加入一串联镇流电阻，负 载上的压降会随着负载电阻的增大而 增大，从而在很大程度上抵消了其消 耗功率的波动，电路示意图如左图所 示。右图为有无镇流电阻情况下，光 源消耗功率的比较。
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镇流电阻对恒压驱动下光源供电 功率的影响
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（6）正弦波形调制器 另一种正弦调制器的方案如图 11 所示。它利用半 径不同的两内接圆所构成新月形的孔，对线状光束相 对运动光束实现调制。大小圆半径分别为R和 r，当两 圆中心间距 与 r相比较小时，那么新月形缝宽的变化 规律基本上是正弦函数。工作时旋转中心是小圆的圆 心。
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（5）移动光轴的调制器 移动光轴调制器是由固定狭缝和运动反射镜构成。 图9所示是两种调制器的原理图，一种是通过旋转反射 镜完成调制；另一种是通过摆镜实施调制。
图9 移动光轴的调制器
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（6）正弦波形调制器 图10所示是旋转叶片与双三角形光阑构成的正弦调 制器。三角形底边长为b，高为h当叶片与光阑平行时， α ＝ 0 ，通光面积 S ＝ 0 时作为起始计算点。按三角关系 知 h ' = h cosα ，而b′ = b(h ' / h) = b cos α ，所以通光而积为：
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图3 调制盘
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通过图4，进一步说明调制光波形与光束截面和调 制盘间的关系。调制盘的图形近似为方形，而光束截 面为宽度不等的矩形，所形成的调制波形是方波、梯 形波和三角波等。
图4 光孔及波形
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（2）圆盘形调制盘 机械调制中常用圆盘形调 制器，如前面提到透光与不透 光扇形构成的调制盘。有时为 减少盘材料的吸收而做成方齿 形调制盘。有些场合又可用反 射和透射扇形构成调制盘，如 图5所示是比较光路中的机械调 制方案。为消除可能引起的系 统误差，在许多光电检测系统 中采用双光路法。 图5 比较光路中的调制
红外光源和传统红外灯丝光源在脉冲调制下的红外热图比较
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脉冲红外光源类型与参数 Ion Optics现提供三种封装形式的脉冲红外光源，其 主要参数如表所列：
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光源供电电路 (1)恒压驱动 在恒压系统中，负载电阻消耗的 功率为： 2
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2. 光电信号调制的途径 （1）对光源发光进行调制 对光源发光进行调制是常 用的调制方法之一。该方法要 求光源具有极小的惰性。常用 的光源有激光器、发光二极管、 氖灯及氢灯等，通过调制电源 来调制发光。用交流供电时， 发光频率是交流供电频率的两 倍；采用脉冲供电时，发光频 图1 发光二极管的脉冲供电 率与脉冲频率相同。脉冲电源 （调制频率可达1GHz） 也可由多种多谐振荡器及功率 放大器组成。图1所示为脉冲 电源的原理。
图11 新月形正弦调制器
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8.2 专用调制盘 1．调制波及调制的分类
设某交流波的瞬时值 a(t ) 由下式表示
a (t ) = a 0 sin(ωt + ϕ ) = a 0 sin(2πft + ϕ ) = a 0 sin Φ
(1)
a0 为交流波的振幅；ω = 2πf 为圆频率；f 为 式中， φ ϕ 为初相角；为相位角； 频率；
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（3）利用电磁感应的机械调制 利用电磁感应产生运动完成调制的方案也很多，图6 所示是一种原理图。 调谐叉调制器与上述调制结果类似如图7所示，可工 作在10至3kHz之间。
图6 电磁感应调制器 图7 调谐叉调制器
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（2）对光电器件产生的光电流进行调制 在光电管中，调制是通过在阴极和阳极间侧向附 加交变的电场或磁场实现。 在光电倍增管中，光电信号的调制可以在任何一 级二次极上通过施加交变电压来完成，其调制频率可 达105~107Hz左右。 在光电三极管中，光电信号的调 制可以在基极上加调制电压或电流来 进行．这样集电极电流受直流集电极 电压和调制的基极电压双重控制，实 现了光电三极管的调制。 在光敏电阻或光电二极管中，调制 可在电桥电路中采用交变电压供电来 完成。如图2所示。