光学信号的调制

PIN
声音、图像 －－加载信息
抑制干扰 －－改善品质
5.1 光信号调制的概述
－－小结
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
（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 将光载波先人为地调制成随时间或空间变化（按确 定的规律变换载波信号），然后再将被测信息调制 到光载波上，称为二次调制 光电系统中常用的调制大多是二次调制
光强度调制基本思路：
输入光
（恒定强度）
输出光
（交变强度）
电光调制器
变化的电场
原理：
电光调制
附加相位差
πU ' n U Uπ
3 o 63
2
I (out) 2 sin ( ) I (in) 2
可以证明：输出光强与输入光强之比（透过率）
电光调制器小结
优点： 可以作成几乎没有惯性的光阀 调制频率～10GHz，理论上可达120GHz 缺点： 透光比（光传输比）小于1 调制电压高（半波电压几千伏）
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。重点讲述光信号的强度、频率、相位和偏振等 参数的调制。
5.1
wk.baidu.com光信号调制概述
6
光波是信息的载体，通常称为光载波。 1. 载波的特征参数？ 2. 调制：一次调制和二次调制 3. 二次调制的意义
1.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
5.2
光信号调制的基本原理
15
以光信号的强度（辐通量）调制为例讨论，适用 于光波的振幅、相位和频率等参数的调制
一、 模拟调制
二、 脉冲调制 三、 编码调制
一、模拟调制
－－又称为连续波调制
(t ) 0 m sin(t )
(t ) 0 m [V (t )]sin{[V (t )]t [V (t )]}
背景大张角
目标小张角
b. 用调制盘进行空间滤波
空间滤波分析：
初升太阳 调制盘
小张角目标 调制图
大张角背景 调制图
c. 用调制盘确定目标方位
目标方位： 目标M' （ρ΄，θ'） 像点M （ρ，θ）
c. 用调制盘确定目标方位
目标方位： 像点M（ρ，θ）
调制信号幅度
－－ ρ
比较目标像在A、B位置 输出初相位
载波“频率”
调幅波频谱：
单一频率调制信号
调幅波频谱：
多个频率调制信号
振幅调制应用实例
振幅调制应用实例
2.频率调制(FM)
信息
载波
(a)
频率调制：载波的频率变化－－信息
(b)
(t ) 0 m sin ([V (t )]t )
[V (t )] 0 V (t )
信息 V (t ) sin( t )
振幅
(t ) 0 [1 m sin( t )] m sin(t )
讨论：（2）调幅对频谱的影响
载波 (t ) 0 [1 mV (t )] m sin(t ) 信息 V (t ) sin( t )
行波－－声光栅栅 面在空间移动
驻波－－声光栅固 定不移动
当光波通过声光栅时，衍射光的强度、频率、方向 等随超声场变化－－声光效应。
－－声光栅
－－衍射光栅
(2) 两种声光效应
喇曼－奈斯衍射：
布拉格衍射：
条件：超声波频率较低，
声光作用长度L较小，光束 垂直声波传输方向
条件：超声波频率较高、声光
作用长度L较大，光束与声波波 面间以一定的角度斜入射
当
V (t ) 1 0
t
(t ) 0 m sin[0 t V (t )dt ]
0
V (t ) cos(t )
(t ) 0 m sin[0t m f sin( t )]
f mf F
--频率调制指数 mf >1 宽带调频 mf <<1窄带调频
f mf >1 宽带调频 mf --频率调制指数 mf <<1窄带调频 F
例：FM立体声广播
载波: 91.8MHz
音频: <20kHz 讨论： 调制指数m 对调频波形的影响
例：利用V/F（电压/频率）变换器产生调频光信号
U0－－载波频率
Ui－－调制频率
电压/频率变换器工作示意图
振幅调制(AM) 频率调制(FM) 相位调制(PM)
1. 振幅调制(AM)
调制波
信息
载 波
调幅波
振幅调制：载波的包络变化－－信息
例.利用调制光测量液体的浓度
载波
信息
思考：如果溶液的
浓度逐步加大，调制 波形？
讨论：（1）调制指数m 对调幅波形的影响
载波 (t ) 0 [1 mV (t )] m sin(t )
反射率等）的光学元件。
计量光栅
（空间周期P>>λ ）
衍射光栅
（空间周期P≈λ ）
典型的计量光栅
－－光栅莫尔条纹
结构： 小夹角 主光栅--定光栅 指示光栅--动光栅

B
P
典型的计量光栅
－－光栅莫尔条纹
结构：
光栅莫尔条纹 原理：
两光栅移动，莫尔条纹移动 光通量明暗交替变化 光栅位移信息－－光强信号
调频光信号产生实例
二、 脉冲调制
Φ
Φ
0
t
0
t
原始脉冲波形
Φ
Φ
脉冲幅度调制
0
t
0
t
脉冲频率调制
脉冲宽度调制
应用：－－激光测距、目标跟踪与识别等··· ···
三、 编 码 调 制
把模拟信号先变成脉冲序列，再变成代表信号 信息的二进制编码，然后对载波进行强度调制。 模拟量 抽 样
脉冲量 量 化
编 码
光电探测与信号处理
第五章 信息的光学变换
华中科技大学
1
5.1 光信号调制的概述 5.2 光信号调制的基本原理 5.3 光信号调制的基本方法
5.4 直接探测和相干探测
光学探测系统的基本结构
光 学 系 统 变 换 对 象 光 学 变 换 光 电 器 件 变 换 电 路 探测 传输 控制 计算 显示 存储
4，8，……
0100，1000，……
数字信号
5.3 光学信号调制的基本方法
可调参数： －－光强、振幅、频率、相位、 －－偏振方向、传播方向，· · · · ··
一、 光信号强度的调制 二、 光信号相位的调制 三、光信号频率的调制 四、 光信号偏振的调制
一、 光信号强度的调制
可实现强度调制典型的方法
应用举例： 远距离激光测距 光强度调制
2） 声光调制
(1) 声光效应 (2) 声光效应的两种类型 (3) 声光调制器
(1) 声光效应
当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折 射率）发生疏密交替的周期性变化－－声光栅
－－声光栅
－－衍射光栅
当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折 射率）发生疏密交替的周期性变化－－声光栅
－中短距离光电测距 －光通信，···· · ·
摘自国家精品课程《光纤通信技术》 --深圳职业技术学院制作
摘自国家精品课程《光纤通信技术》 --深圳职业技术学院制作
2. 机电调制
1)调制盘调制 2)光栅莫尔条纹调制
1)调制盘调制 ——典型的光强度调制器
光电扫描式调幅
旋转调频
调相式
脉冲调宽
应用：－－红外被动制导系统、红外跟踪系统 －－激光波束制导，···· ·· 最基本的作用：恒定的辐通量－－周期性辐通量 a 用调制盘抑制背景噪声 b 用调制盘进行空间滤波 c 用调制盘确定目标方位
－－ 将声音、图像信息加载到光波上
将光载波先人为地调制成随时间或空间变化（按确 定的规律变换载波信号），然后再将被测信息调制 到光载波上，称为二次调制
例3：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
二次调制的意义？？？
输入 驱动 电路 InGaAsP 激光器 C 光纤 RL 放大器 判别 电路 输出
振幅
(t ) 0 [1 m sin( t )] m sin(t )
(t ) 0 m sin(t )
1 m m {cos[( )t ] cos[( )t ]} 2
(t ) 0 m sin(t )
喇曼－奈斯衍射：
布拉格衍射：
特点：平面光栅，多级衍
射，零级光最强，其他级衍 射光对称地分布在零级光两 侧，光强依次递减。
特点：体光栅，只出现
零级和一级衍射光;超声场 足够强，入射能量几乎全 部转移到＋1级（－1级）
布拉格声光衍射光能利用率高，因而大部分调制器均 采用行波声场的布拉格型声光调制器！
（3）声光调制器 －－应用： 衍射光强度调制 衍射光频率调制 衍射光方向调制
光 源
电 路 处 理
光学变换
光电变换
电路处理
形成能被光电探测器 接收、便于后续电学 处理的光学信息。
3
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 RL 放大器 判别 电路 输出
PIN
光强度调制，···· · ·
光学信号变换 举例
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，···· · ·
A B A t t
调制信号 初相位－－ θ
B t
调制盘小结： 调制盘是一种光强度调制器 恒定辐射通量－－>周期性辐射通量 （1） 静止目标像－>交流信号，抑制噪声 和光源波动的影响； （2） 进行空间滤波，抑制背景噪声； （3） 提供目标方位空间信息。
2)光栅调制
光栅是具有周期性空间结构或光学性能（如透射率、
x Δ m cos(2π ) P
Φ t
2)光栅调制
用计量光栅实现光通量幅度调制： 光栅每移动一个栅 距P，条纹就跟着 移动一个条纹宽度 B。
x m cos(2 ) P
x＝NP
莫尔条纹图案
2)光栅调制
应用举例：光栅线位移传感器
主光栅--定光栅
刻线密度 --- 测量精度 ( 10、 25、50、100、125线/mm )
E E0 cos(2 vt 0 )
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，· · · · ··
2. 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，· · · · ··
a. 用调制盘抑制背景噪声
有源带通 滤波器
问题：如果光源1本身波动，该怎么解决？
b. 用调制盘进行空间滤波
目标辐射 背景辐射
调制盘
目标辐射 背景辐射
利用目标和背景相对于系统的张角不同，调制 盘可以抑制背景以突出目标，从而把目标从背 景中分离出来－－空间滤波
b. 用调制盘进行空间滤波
中国轰-6型战略轰炸机巡航南沙 2007,05,09
1 m m {cos[( )t ] cos[( )t ]} 2
信号变换－－频率搬移 调幅波频谱
Φ Φ0
O
1 mΦm 2
Φm
1 mΦm 2
调幅波带宽 B=2F
F /2π
f0 - F
f0
f0 + F f
信息“频率”
V (t ) sin( t )
(3)声光调制器
－－衍射光强度调制 ＋1级（或－1级）光输出
布拉格型声光调制器
I1 2 sin ( )， Ps Ii 2 2
Ii I1
I1 0.5 m sin t Ii
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
光学调制
二次调制
例1.卫星遥感农作物产量
－－ 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
例2
光纤通信系统
驱动 电路 InGaAsP 激光器 C 光纤 RL 放大器 判别 电路 输出
输入
PIN
1. 辐射源调制
2. 机电调制
3. 光电子调制
1.辐射源调制 --改变输入电流来实现光强度的调制
1)半导体激光器调制
－－调制频率40GHz
摘自国家精品课程《光纤通信技术》 --深圳职业技术学院制作
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2)发光二极管调制
－－调制频率100MHz
指示光栅--动光栅
测量范围： 100mm-3000mm 分 辨 率： 10、 5、 1、 0.5、 0.1 µ m
3. 光电子调制
1）电光调制 2）声光调制 3）磁光调制
1） 电光调制
电光效应
－－是指某些晶体在电场的作用下，具有双 折射效应，其双折射效应的大小与电场强度有关
电光调制器 －－是指利用晶体的电光效应制成的调制器