光電測(cè)試技術(shù)-非相干信號(hào)檢測(cè)技術(shù).ppt

1、非相干信號(hào)檢測(cè)技術(shù),本章內(nèi)容 時(shí)變光信號(hào)的直接檢測(cè) 簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)形位檢測(cè) 復(fù)雜光學(xué)圖像掃描檢測(cè),直接檢測(cè)系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制）(非相干) 莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀 激光測(cè)距儀 激光準(zhǔn)直 對(duì)光信號(hào)的直接檢測(cè)，就是對(duì)光通量的測(cè)量，了解和掌握光通量的一般測(cè)量方法，對(duì)于光電系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)是最基本的知識(shí),第一節(jié) 時(shí)變光信號(hào)的直接檢測(cè),一般光電系統(tǒng)所處理的輸入信號(hào)是輻射光通量的變化（光譜分析、偏光分析、成像分析等），因此，光信號(hào)的直接檢測(cè)，就是光通量的測(cè)量?？梢苑譃檎穹偷模l率型的相位型的。它們測(cè)量條件（直流或變化緩慢地信號(hào)采用振幅型，時(shí)間脈沖信號(hào)多采用其他兩種），測(cè)量誤差（振幅測(cè)量相對(duì)誤差為102104，頻率測(cè)量相

2、對(duì)誤差為106108 ）不盡相同。,一、光通量的幅度測(cè)量 （一）單通道測(cè)量系統(tǒng) 1、定義：被測(cè)光通量沿單一光學(xué)通道傳送到光電接收器的系統(tǒng)通稱為單通道測(cè)量系統(tǒng)。 2、原理：由輻射源產(chǎn)生的光輻射通量經(jīng)過(guò)置于光路上的被測(cè)樣品或標(biāo)準(zhǔn)樣品的部分吸收或散射，出射到接收器的光敏面上。利用光電轉(zhuǎn)換信號(hào)放大器可以測(cè)量出載有信息的光通量，最后由指示電表顯式記錄下被測(cè)量的結(jié)果。 3、測(cè)量方法 （1）直讀法,被測(cè)樣品,光電接收器,放大器,電表,SI,K,M,0,I,I,0,I,I,輪流放置標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)電表值進(jìn)行標(biāo)定，然后將被測(cè)樣品放在光路中，即可由電表的指示直接得到被測(cè)樣品的透過(guò)率值。,轉(zhuǎn)角 示值,檢測(cè)器電流靈敏度,放

3、大器增益,電表傳遞系數(shù),透過(guò)率,光通量,（2）指零法 電路部分不用于讀數(shù)，而只是用作電表的指零，使被測(cè)量與已知量進(jìn)行比較測(cè)量。它可以消除由于輻射光通量，光檢測(cè)器放大器工作參數(shù)不穩(wěn)定造成的影響，只取決于讀數(shù)裝置的精度指零裝置的零位漂移。,起 偏 器,檢 偏 器,放大,電表,樣 品,光電 接收,M,SI,K,0,x,0,首先，檢偏器的偏振面相對(duì)起偏器轉(zhuǎn)成90，此時(shí)檢測(cè)器光敏面上的光通量為零。在偏振器之間放置具有偏光性質(zhì)的被測(cè)樣品，它引起偏振面的旋轉(zhuǎn)增大了透過(guò)光的數(shù)值，借助于指示表可以觀察到相對(duì)于零位的偏差。如轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，重新使電表指零，則檢偏器的轉(zhuǎn)角等于由被測(cè)樣品引起的偏振面的轉(zhuǎn)角。,（二）雙通道

4、測(cè)量系統(tǒng),光輻射源,光檢測(cè)器,標(biāo)準(zhǔn)樣品,被測(cè)樣品,反射鏡,透鏡,放大器,1、差動(dòng)法,可變透過(guò)率的光屏（沿著各截面鍍有吸收率不同膜層的玻璃平板）,伺服 電機(jī),指針機(jī)構(gòu),差動(dòng)放大器,在裝被測(cè)樣品之前，光屏處于最大吸收位置，并使兩通道的輸出光通量相等，處于平衡狀態(tài)。當(dāng)插入被測(cè)樣品之后，測(cè)量通道的光通量減小。此時(shí)，若移動(dòng)光屏改變透過(guò)率值使光屏上透過(guò)增大恰好等于被測(cè)樣品的吸收值，這就可以使兩個(gè)通道重新達(dá)到平衡。光屏的移動(dòng)或指針的位置就是被測(cè)透過(guò)率的量度值，并在兩通道的輸出光通量相等時(shí)讀出。兩個(gè)通道的光通量分別由檢測(cè)器接收，由差動(dòng)放大器得到增益。放大器輸出電壓接到伺服電機(jī)的控制繞組上，當(dāng)兩個(gè)通道的光通量不

5、等時(shí)，放大器的輸出端產(chǎn)生控制電壓使電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光屏移動(dòng)，一直到輸出電壓為零停止。,從上式可看出比例因子K0與入射光通量無(wú)關(guān)，從而減少了光輻射源的不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量誤差的影響。它的這種補(bǔ)償作用是由于它的入射光通量是以同樣的效果影響兩個(gè)通道，而它們的差值在準(zhǔn)確平衡的條件下接近于零，因而對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響。,2、比較法 不采用差動(dòng)放大器接收而用組成電橋的光敏電阻作為光電接收器，我們稱其為比較測(cè)量法。它同樣具有抑制共模擾動(dòng)的作用。 3、交替比較法 采用一個(gè)光電接收器接收，并在光路中加有交替裝置，例如：帶有光孔的不透明轉(zhuǎn)盤(pán)和帶缺口的反射鏡。,二、光通量的頻率測(cè)量 （一）波數(shù)測(cè)量,干涉條紋光強(qiáng)以/2為周期變化，

6、也就是當(dāng)x移動(dòng)/2長(zhǎng)度時(shí)引起一個(gè)周期的變化。如將變化的周期數(shù)用波數(shù)N來(lái)表示，可得位移x波數(shù)N的關(guān)系為,在一般情況下，波數(shù)測(cè)量是將由被測(cè)量x引起的周期變化的光通量光電轉(zhuǎn)換為電脈沖，再用電子計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)波數(shù)的變化N，最后根據(jù)公式計(jì)算出測(cè)量結(jié)果x。 x=m0N 式中m0稱脈沖當(dāng)量，表示單位波數(shù)變化對(duì)應(yīng)的被測(cè)值。,（二）頻率測(cè)量 如將被測(cè)物體安裝在測(cè)量臂上，并以速度v移動(dòng)。則它移動(dòng)了/2距離的時(shí)間為 T= /2v=1/f 故 v= /2f 我們可看出，運(yùn)動(dòng)速度與光通量的變化頻率成正比，只要測(cè)得光通量的變化頻率即可計(jì)算出所需的運(yùn)動(dòng)速度。,三、光通量的相位時(shí)間測(cè)量,（一）相位測(cè)量,相位法光波測(cè)距,D,協(xié)作

7、靶的反射鏡,光電接收器,LD,輻射光波初始相位于激勵(lì)電壓U0相同，若經(jīng)t （光波來(lái)回）時(shí)間后，則相位改變?yōu)?=2fc/2D 如設(shè)輻射光通量變化一周光波傳播距離為L(zhǎng)c/f，則有 D=L/2n/2 其中，L/2n稱作測(cè)尺長(zhǎng)度，它與相對(duì)相位差/2的乘積即為被測(cè)距離。,（二）時(shí)間測(cè)量 利用周期性光通量變化的時(shí)間周期或單個(gè)光脈沖間的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量信息方法。,脈沖激光測(cè)距儀或激光雷達(dá),功率為幾瓦的激光器,被測(cè)目標(biāo),接收系統(tǒng),主波脈沖回波脈沖的時(shí)間差。 D=c/2fN=KN K為測(cè)距脈沖當(dāng)量，N為計(jì)數(shù)值。,第三節(jié) 簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)的形位檢測(cè),光學(xué)目標(biāo)：不考慮被測(cè)對(duì)象的物理本質(zhì)，只把它們看作是與背景間有一定光學(xué)反

8、差的幾何形體或圖形景物。分為簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)復(fù)雜圖形景物。 應(yīng)用：大尺寸工件的安裝與加工、高速公路鋼軌的自動(dòng)鋪設(shè)、地下隧道的自動(dòng)掘進(jìn)等工程的自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量；小尺寸測(cè)量中的目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)位置偏移測(cè)量；激光制導(dǎo)等。,一、幾何中心檢測(cè)法 （一）定義：光學(xué)目標(biāo)其襯底間的光學(xué)反差構(gòu)成了物體的外形輪廓，輪廓尺寸的中心位置稱作它的幾何中心（G0）。 其坐標(biāo)為 xG0=1/2(x1+x2) 通過(guò)測(cè)量物體的輪廓分布 確定物體中心位置的方法， 稱作幾何中心檢測(cè)法。,x1,x2,xG0,（二）像分析像分析器 1、像分析：通過(guò)分析被測(cè)物體在像面上的幾何中心相對(duì)于像面基準(zhǔn)的偏移情況，從而確定該物體在空間位置的方法。 2、像分析器：

9、 （1）定義：一種能將幾何形位信息調(diào)制到載波光通量上形成光學(xué)調(diào)制的調(diào)制器，是幾何量轉(zhuǎn)換成光學(xué)量的G/O變換器。 （2）基本原理：將被測(cè)物體的光學(xué)像相對(duì)于像面基準(zhǔn)的幾何坐標(biāo)變換為通過(guò)該基準(zhǔn)某一取樣窗口的光通量，通過(guò)檢測(cè)該光通量的變化來(lái)解調(diào)出物體的坐標(biāo)位置。,（3）典型的像分析器 雙通道差分調(diào)制式像分析器 采用兩個(gè)接收光路的雙通道結(jié)構(gòu)。其光路和工作原理圖見(jiàn)下頁(yè)。,O,S,G/O,物空間,象空間,光信號(hào),光學(xué)系統(tǒng),調(diào)制器,B(x,y,t),E(x,y,z,t),(a1,a2,an),0,狹縫1,狹縫2,分光元件3,(a),3l/2,l,l/2,0,l/2,l,3l/2,x,U1,-,U,(b),雙通

10、道差分調(diào)制式像分析器工作原理圖,在像面上共軛地放置兩個(gè)狹縫1和2，通過(guò)分光元件3得到的兩個(gè)線像分別成像于狹縫面上，狹縫中心距等于線像寬，兩個(gè)狹縫的定位特性具有類似的形狀，如上圖。將兩狹縫后的各自光電接收電路差分連接，則檢測(cè)器的差分輸出可利用非線性圖解法得到。在線性區(qū)內(nèi)，定位特性可表示為 ，其中，E0為照明光強(qiáng)，h為狹縫高，x為線像中心相對(duì)狹縫中心的偏移量。然后利用相敏檢波方法即可分離出被檢測(cè)的位置偏移。,單通道掃描調(diào)制式像分析器 此種裝置在成像光路增設(shè)了周期振動(dòng)的光學(xué)零件或振動(dòng)狹縫，使像面上的目標(biāo)像相對(duì)狹縫作周期振動(dòng)。這時(shí)透過(guò)狹縫的光通量形成隨時(shí)間周期性變化的光載波。目標(biāo)像的位移信息將由于像分

11、析而調(diào)制到載波上去，從而產(chǎn)生各種調(diào)制的光信號(hào)。這種使目標(biāo)像和測(cè)光窗口之間相對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)的像分析器稱做掃描調(diào)制型像分析器。,（三）掃描調(diào)制極值檢測(cè) 被測(cè)鋼帶的邊緣通過(guò)鏡頭成像于光欄上。它的橫向尺寸確定了物方的測(cè)量范圍。轉(zhuǎn)筒上刻有通光狹縫，其間隔與光欄長(zhǎng)度相等，以形成等間隔的光脈沖。鋼帶邊緣的像位置可對(duì)光脈沖進(jìn)行脈寬調(diào)制，最后由光電元件接收。解調(diào)出脈寬調(diào)制函數(shù)即可確定鋼帶邊緣的位置變化。,帶狹縫轉(zhuǎn)筒的掃描調(diào)制系統(tǒng),鏡頭,光欄,光電元件,轉(zhuǎn)筒,鋼帶,D,二、亮度中心檢測(cè)法 一）定義 光學(xué)目標(biāo)的亮度分布是光輻射能量沿空間分布。將物體按輻射能量相等的標(biāo)準(zhǔn)分割為兩部分，起中心位置稱作亮度中心。通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物

12、空間的亮度分布相對(duì)應(yīng)的像空間照度分布，確定目標(biāo)能量中心位置的方法稱作亮度中心檢測(cè)法。,二）原理 將來(lái)自被測(cè)目標(biāo)的光輻射通量相對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)量基準(zhǔn)軸分解到不同坐標(biāo)象限上，再根據(jù)這些圖像在各象限能量分布的比例，檢測(cè)出目標(biāo)的亮度中心位置。這種確定目標(biāo)空間位置的方法稱作象限分解法。實(shí)現(xiàn)輻射通量按坐標(biāo)象限分界采用的方法：光學(xué)像分解；利用象限檢測(cè)器。,（一）光學(xué)像分解 在光學(xué)系統(tǒng)中附加各種分光元件使入射光束分布向確定的不同方向傳播，再在各自終端安裝上有單一光敏面的光電元件。 1、光學(xué)零件： 正四面反射錐體：入射 光束以錐尖為坐標(biāo)原點(diǎn) 將光束分解為直角坐標(biāo) 的四個(gè)象限。,光導(dǎo)纖維束 ：一束輸入端位于物鏡焦面上

13、的光導(dǎo)纖維束，光纖束按截面的位置分為四個(gè)分束，每一個(gè)分束的輸出端裝置在光電接收器的敏感面上。,2、分解方式 中心孔式：測(cè)量光束1的一部分經(jīng)空心四棱錐體3的頂端中心孔射向后置的反射錐體5上。中心孔直徑小于光束直徑。當(dāng)光束有一定傾角時(shí)，透過(guò)中心孔的光束以不同比例被反射體5分解。并由光電元件4接收，產(chǎn)生x和y的偏角信號(hào)。入射光束在中心孔以外的部分經(jīng)空心錐體反射，由四象限上布置的光電元件2形成x和y向的偏移信號(hào)。,1,2,3,4,5,分光式：基準(zhǔn)光束1透過(guò)半反射棱鏡2在四象限光電池4上形成x、y方向的偏移信號(hào)。反射的光束經(jīng)反射鏡3投射到四象限光電元件5上形成的x和y偏角信號(hào)。,1,2,4,3,5,反射

14、式：光電元件2的光敏面與輸入光束相背布置。它的中央開(kāi)有直徑和入射光束直徑相同的光孔。穿過(guò)光孔透過(guò)半透明反射鏡3，由光電元件4產(chǎn)生x、y方向偏移信號(hào)。反射部分的光束由光電元件2接收，形成的x和y偏角信號(hào)。,1,2,3,4,全息分光式：基準(zhǔn)光束1采用激光，經(jīng)全息片2衍射為三個(gè)方向。其中直射光分量射向光電元件6，產(chǎn)生x、y向偏移信號(hào)。根據(jù)全息照相原理，在3的方向形成會(huì)聚的光束，在7的方向形成平行的衍射光束?？梢苑謩e設(shè)置光電元件4和8，根據(jù)光點(diǎn)的位置計(jì)算出x和y偏角信號(hào)。,1,2,7,8,3,4,5,6,（二）象限探測(cè)器 象限探測(cè)器有多種形式，如：二象限、四象限的光電池光敏電阻；四象限的光電倍增管；八

15、象限的半導(dǎo)體光電探測(cè)器；楔環(huán)狀獨(dú)立光敏面的半導(dǎo)體探測(cè)器；陣列式光電池；半導(dǎo)體光電位置傳感器等。象限探測(cè)器是在同一塊芯片上制成兩或四個(gè)探測(cè)器，中間有溝道將它們隔開(kāi)，因而這兩或四個(gè)探測(cè)器有完全相同性能參數(shù)。當(dāng)被測(cè)體位置發(fā)生變化時(shí)，來(lái)自目標(biāo)的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會(huì)引起象限間信號(hào)輸出變化，從而確定目標(biāo)方位，同時(shí)可起制導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。,1、四象限探測(cè)器 四象限光電探測(cè)器實(shí)際由四個(gè)光電探測(cè)器構(gòu)成，每個(gè)探測(cè)器一個(gè)象限，目標(biāo)光信號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限光電探測(cè)器上成像，如圖1。一般將四象限光電探測(cè)器置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或稍離開(kāi)焦平面。當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，四個(gè)象限上探測(cè)器輸出的光電信號(hào)

16、幅度不相同，比較四個(gè)光電信號(hào)的幅度大小就可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上（也就知道了目標(biāo)的方位），若在四象限光電探測(cè)器前面加上光學(xué)調(diào)制盤(pán)，則還可以求出像點(diǎn)偏離四象限光電探測(cè)器中心的距離或角來(lái)。,2、光電位置傳感器 半導(dǎo)體光電位置傳感器PSD( Position Sensitive Device) 是一種基于橫向光電效應(yīng)的光電位置敏感探測(cè)器。它是一種新型的半導(dǎo)體位置敏感探測(cè)器,除了具有光電二極管陣列和CCD的定位性能外,還具有靈敏度高、分辯率高、響應(yīng)速度快和電路配置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。因而逐漸被人們所重視。PSD的發(fā)展趨勢(shì)是高分辨率、高線性度、快響應(yīng)速度及信號(hào)采集處理等多功能集成。PSD可用于精密尺寸、三維

17、空間位置和角度的測(cè)量,是近程(10m以內(nèi)) 實(shí)時(shí)測(cè)量飛行器位置和距離的極佳器件,如空中加油機(jī)等空間飛行器對(duì)接中可精確提供目標(biāo)的相對(duì)位置、距離及角度姿態(tài);空間光通信中位置誤差信號(hào)的提取等。隨著光電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的結(jié)合,集成PSD器件系統(tǒng)的應(yīng)用將更加廣泛。,如圖：當(dāng)入射光點(diǎn)照在光敏面上時(shí)由于光生載流子的流動(dòng)產(chǎn)生光生電流I，經(jīng)運(yùn)算后即可知光點(diǎn)的位置。,第四節(jié) 復(fù)雜光學(xué)圖像的掃描檢測(cè),一、掃描的基本原理分類 （一）光學(xué)圖像的掃描 光電掃描技術(shù)：只用一個(gè)窄視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)一個(gè)光電檢測(cè)通道。當(dāng)使該裝置按一定的時(shí)間順序軌跡串行逐點(diǎn)掃視目標(biāo)物象空間的各點(diǎn)時(shí)，能獲得瞬時(shí)值與被測(cè)目標(biāo)的光學(xué)參數(shù)成比例的時(shí)序電信

18、號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱作掃描。反之，在掃描過(guò)程中用圖像電信號(hào)調(diào)制掃描光點(diǎn)的瞬時(shí)發(fā)光值可以得到再現(xiàn)的光學(xué)圖像。,（二）最簡(jiǎn)單的直線掃描,I0(x),X1=v1*t,S,E1(x1),(t)=SE1 =Sf(x1)=Sf(v1*t),k,kb,B(t)=KbKSf(v1*t),U(t)=KSf(v1*t),采集部,再現(xiàn)部,E2(x2,t)=KEKbKSf(v1/v2x2) Kf(v1/v2x2),S為光欄截面積，K為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，Kb為電光轉(zhuǎn)換系數(shù)，KE為光度變換系數(shù),K為灰度變換因子。,被測(cè)物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)在成像在像面上，在像面上設(shè)置帶有取樣光欄的光電檢測(cè)元件組成的掃描單元沿像面與時(shí)間成正比地作鋸齒形直線

19、運(yùn)動(dòng)，取樣光欄截取掃描某處的部分像面光強(qiáng)，得到光通量，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到時(shí)序電信號(hào)，這樣掃描單元實(shí)現(xiàn)了被測(cè)圖像光強(qiáng)分布的空間時(shí)間光量電量的變換。這個(gè)過(guò)程同時(shí)也是圖像數(shù)據(jù)的采集過(guò)程。然后，將圖像電信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸線送到再現(xiàn)端。在這里，發(fā)光器件在電信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生隨圖像信號(hào)變化的發(fā)光亮度；當(dāng)發(fā)光器件連同透光光欄作掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)，在再現(xiàn)光屏上形成隨時(shí)間位置變化的照度分布。,（三）掃描系統(tǒng)的分類工作參數(shù) 1、分類： 按掃描方式分 直線掃描、光柵掃描、圓周掃描、螺旋掃描 按掃描方法分 機(jī)械掃描、光學(xué)掃描、衍射光柵掃描、電子束掃描、電光掃描、磁光掃描、聲光掃描、電子機(jī)械掃描、移位電場(chǎng)掃描、壓電掃描。,2、基本參數(shù)： 掃

20、描周期TK：掃描給定視場(chǎng)并使掃描線恢復(fù)初始位置所需的時(shí)間； 掃描線密度d空間分辨率F：掃描裝置能分辯的最小寬度稱作掃描線密度；能分辯的單位長(zhǎng)度內(nèi)的最高黑白線對(duì)數(shù)稱作空間分辨率。 掃描變換的直線性動(dòng)態(tài)范圍：輸出圖像信號(hào)的幾何畸變灰度畸變低于容許限度內(nèi)的最大輸入光度輸出電平；,圖像信號(hào)的頻帶寬度：取決于掃描線寬掃描頻率； 掃描數(shù)據(jù)率：在單位時(shí)間內(nèi)掃描裝置所能發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)總數(shù)； 掃描精度：時(shí)序的圖像信號(hào)與圖像的光密度空間分布的正確對(duì)應(yīng)關(guān)系。,二、光束的調(diào)制 （一）光束調(diào)制原理 要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光上去的問(wèn)題，這種將信息加載于激光的過(guò)程稱為調(diào)制，完成這一過(guò)程的裝置稱為

21、調(diào)制器。其中激光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號(hào)。 1、光束調(diào)制的分類 實(shí)現(xiàn)激光束調(diào)制的方法，根據(jù)調(diào)制器與激光器的關(guān)系可以分為內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)和外調(diào)制兩種。,內(nèi)調(diào)制是指加載信號(hào)是在激光振蕩過(guò)程中進(jìn)行的，以調(diào)制信號(hào)改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。 外調(diào)制是指激光形成之后，在激光器的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號(hào)改變調(diào)制器的物理性能，當(dāng)激光束通過(guò)調(diào)制器時(shí)，使光波的某個(gè)參量受到調(diào)制。 光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強(qiáng)度調(diào)制等。 （1）振幅調(diào)制 振幅調(diào)制就是載波的振幅隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的振蕩，簡(jiǎn)稱調(diào)幅。,若調(diào)制信號(hào)是一時(shí)間的余弦函數(shù)，即,調(diào)幅波的表

22、達(dá)式為,調(diào)幅波的頻譜為,頻譜由三個(gè)頻率成分組成，第一項(xiàng)是載頻分量，第二、三項(xiàng)是稱為 邊頻分量。,（2）頻率調(diào)制和相位調(diào)制 調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而 改變的振蕩。因?yàn)檫@兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角(t)的變化，因 此統(tǒng)稱為角度調(diào)制。對(duì)頻率調(diào)制來(lái)說(shuō)，就是其中的角頻率c隨調(diào) 制信號(hào)變化,則調(diào)制波的表達(dá)式為,同樣，相位調(diào)制就是 相位角c隨調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化， 則調(diào)相波的表達(dá)式為,由于調(diào)頻和調(diào)相實(shí)質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可寫(xiě)成統(tǒng)一 的形式,應(yīng)用三角公式，展開(kāi)得,可見(jiàn)，在單頻余弦波調(diào)制時(shí)，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻 與在它兩邊對(duì)稱分布的無(wú)窮多對(duì)邊頻組成。,（3） 強(qiáng)

23、度調(diào)制 強(qiáng)度調(diào)制使光載波的強(qiáng)度(光強(qiáng))隨調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的激光振蕩， 如圖2所示。光束調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制形式，這是因?yàn)榻邮掌饕?般都是直接響應(yīng)其所接收的光強(qiáng)。,光束強(qiáng)度定義為光波電場(chǎng)的平方,于是，強(qiáng)度調(diào)制的光強(qiáng)可表示為,仍設(shè)調(diào)制信號(hào)是單頻余弦波，則,I(t),t,調(diào)制信號(hào),載波,圖2 強(qiáng)度調(diào)制,以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩波， 統(tǒng)稱為模擬調(diào)制。,（4）脈沖調(diào)制 目前廣泛采用一種不連續(xù)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制(脈沖編碼調(diào)制)。它們一般是先進(jìn)行電調(diào)制，再對(duì)光載波進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制。 脈沖調(diào)制是用間歇的周期性脈沖序列作為載波，并使載波的某一參量按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的調(diào)制方法。

24、即先用模擬調(diào)制信號(hào)對(duì)一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等)進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化，成為已調(diào)脈沖序列，如圖3所示。然后再用這已調(diào)電脈沖序列對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。 脈沖調(diào)制有脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和脈沖位置調(diào)制等。,5.脈沖編碼調(diào)制 這種調(diào)制是把模擬信號(hào)先變成電脈沖序列，進(jìn)而變成代表信號(hào)信息的二進(jìn)制編碼，再對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。要實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個(gè)過(guò)程：抽樣、量化和編碼。 抽樣。抽樣就是把連續(xù)信號(hào)波分割成不連續(xù)的脈沖波，用一定的脈沖列來(lái)表示，且脈沖列的幅度與信號(hào)波的幅度相對(duì)應(yīng)。也就是說(shuō)，通過(guò)抽樣，原來(lái)的模擬信號(hào)變成

25、一脈幅調(diào)制信號(hào)。按照抽樣定理，只要取樣頻率比所傳遞信號(hào)的最高頻率大兩倍以上，就能恢復(fù)原信號(hào)。,量化。量化就是把抽樣后的脈幅調(diào)制波作分級(jí)取“整”處理，用有限個(gè)數(shù)的代表值取代抽樣值的大小。經(jīng)抽樣再通過(guò)量化過(guò)程變成數(shù)字信號(hào)。 編碼。編碼是把量化后的數(shù)字信號(hào)變換成相應(yīng)的二進(jìn)制碼的過(guò)程。即用一組等幅度、等寬度的脈沖作為“碼子”，用“有”脈沖和“無(wú)”脈沖分別表示二進(jìn)制數(shù)碼的“1”和“0”。再將這一系列反映數(shù)字信號(hào)規(guī)律的電脈沖加到一個(gè)調(diào)制器上，以控制激光的輸出，由激光載波的極大值代表二進(jìn)制編碼的“1”，而用激光載波的零值代表“0”。這種調(diào)制方式具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在數(shù)字激光通信中得到了廣泛的應(yīng)用。,（二）

26、電光調(diào)制 以KDP電光晶體為例討論電光調(diào)制的基本原理和電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)。 1. 電光強(qiáng)度調(diào)制 利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實(shí)現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制，本節(jié)主要講利用縱向電光效應(yīng)得縱向電光調(diào)制器及其工作原理。 縱向電光強(qiáng)度調(diào)制起的結(jié)構(gòu)如圖4所示。,進(jìn)入晶體后被分解為沿x和y方向的兩個(gè)分量，其振幅和相位都相同，分別為,入射光,P1,Ii,x,y,z,x,y,P2,Io,調(diào)制光, V,L,起偏器,/4波片,檢偏器,圖4 縱向電光強(qiáng)度調(diào)制,入射光強(qiáng)度為,通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體之后，,和,兩個(gè)分量之間產(chǎn)生了一相位差,，則有,那么，通過(guò)檢偏器后的總電場(chǎng)強(qiáng)度是,和,在y方向的投影之和：,與之相應(yīng)的輸出光強(qiáng)為,調(diào)制器

27、的透過(guò)率,光強(qiáng)調(diào)制特性曲線如圖所示。,2、電光相位調(diào)制 圖5所示的是一電光相位調(diào)制的原理圖，它由起偏器和電光晶體組成。外電場(chǎng)不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位。,3、電光波導(dǎo)調(diào)制器,4、電光波導(dǎo)強(qiáng)度調(diào)制 ：電光波導(dǎo)強(qiáng)度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)類似于馬赫一曾德（MZ）干涉儀。MZ干涉型調(diào)制器示意圖如圖所示。假定在波導(dǎo)的輸入端激勵(lì)一TE模，在外加電場(chǎng)的作用下，在分叉的波導(dǎo)中傳輸?shù)膶?dǎo)模由于受到一大小相等、符號(hào)相反的電場(chǎng)Ec的作用（因?yàn)閮煞种?dǎo)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱），則分別產(chǎn)生 和 的相位變化。在輸出的第二個(gè)分叉匯合處，兩束光相干合成的光強(qiáng)將隨相位差的不同而異，從而獲得強(qiáng)度調(diào)制。,（三）聲光調(diào)制 1、聲光調(diào)制器的工作原

28、理 聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過(guò)程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號(hào)形式變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。,2、類型,3、聲光波導(dǎo)調(diào)制器 聲光布喇格衍射型波導(dǎo)調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。相對(duì)于聲波波前以B 入射的波導(dǎo)光波穿過(guò)輸出棱鏡時(shí)，得到與入射光束成2B 角的1級(jí)衍射光。其光強(qiáng)為, ：在電場(chǎng)作用下導(dǎo)波光通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)距離的相位延遲； B是一比例系數(shù)，它取決于波導(dǎo)的有效折射率neff等因素。 表明，衍射光強(qiáng)I1隨電壓V的變化而變化，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)光的調(diào)制。,（四） 磁光調(diào)

29、制 磁光調(diào)制主要是應(yīng)用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使一束線偏振光在外加磁場(chǎng)作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 1、 磁光體調(diào)制器 磁光體調(diào)制器的組成如圖5所示。為了獲得線性調(diào)制，在垂直于光傳播的方向上加一恒定磁場(chǎng)Hdc，其強(qiáng)度足以使晶體飽和磁化。工作時(shí)，高頻信號(hào)電流通過(guò)線圈就會(huì)感生出平行于光傳播方向的磁場(chǎng)，入射光通過(guò)YIG晶體時(shí)，由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H。,s：是單位長(zhǎng)度飽和法拉第旋轉(zhuǎn)角； 是調(diào)制磁場(chǎng)。如果再通過(guò)檢偏器，就可以獲得一定強(qiáng)度變化的調(diào)制光。,2、 磁光波導(dǎo)調(diào)制器 我們以磁光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換調(diào)制器為例討論磁光波導(dǎo)調(diào)制器的原理。圖6所示為磁光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，圓盤(pán)形的釓鎵石榴石（Gd3Ga5O12-GGG）襯底上，外延生長(zhǎng)摻Ga、Se的釔鐵石榴石（YIG）磁性膜作為波導(dǎo)層。 在磁性膜表面用光刻方法制作一條金屬蛇形線路，當(dāng)電流通過(guò)蛇形線路時(shí)，蛇形線路中某一條通道中的電流沿y方向，則相鄰?fù)ǖ乐械碾娏餮貀方向，該電流可產(chǎn)生z、z方向交替變化的磁場(chǎng)，磁性薄膜內(nèi)便可出現(xiàn)沿z、z方向交替飽和磁化。蛇形磁場(chǎng)變化的周期為,：TE模和TM模傳播常數(shù)