现代传感技术_1.3_光学信号的调制.ppt

光学信号的调制 1、模拟调制 2、脉冲调制 3、编码调制 1、光信号强度的调制 2）机电调制 ① 调制盘调制 c. 用调制盘确定目标方位 调制盘小结： ② 光栅调制 3）光电子调制 ① 电光调制 ② 声光调制 2、相干探测 2、相干探测 光电系统－－相干探测 ② 相干探测的条件 a.相干探测空间条件 b.相干探测频率条件 c.相干探测偏振条件 编码调制方式具有很强的抗干扰能力，在数字通信中得到了广泛的应用。 例2.光电测距 发射光波 接收光波 距离－－光通量（相位） 直接探测：（非相干探测） 相干探测： （光学外差探测） 装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测光功率（光强）。 装置复杂，光源必须为相干光源，间接探测光波的振幅、频率和相位等参数。 ① 相干探测的基本原理 ② 相干探测的条件 ③ 相干探测的应用举例 －－Coherent Detection －－又称为光外差探测 a. 相干探测的物理过程 原理框图 信号光ωs （本地、异地） 参考光ωr 双频光波： 波前匹配条件： 空间条件 频率条件 偏振条件 采用平方律探测器： （只响应平均功率） 高灵敏度、高频响应、量子效率?PMT，PIN-PD，APD 光学混频器： ① 相干探测的基本原理 1）相干探测的输出信号 信号光 参考光 平方律探测器光混频输出Ihs为： 探测器、放大器－－滤波器（中频输出） 特例：单频双光束干涉（频差为0）－零差探测 讨论：相干探测的实质 a.平方律探测器 b.频率搬移 －－光学混频器 混频器 选通 放大器 观察仪器 高频示波器 频谱分析仪 外差接收 △v，104～1010Hz νs νr 无线电－－外差接收 高频载波 本机振荡 混频 中频信号 解调 音频 图像信息 －－光外差探测 2)调制信号的探测 相干探测_拍频信号的调制 b. 相干探测的基本特性 相干探测优点：（与直接探测对比） 探测能力强 转换增益高 信噪比高 滤波性好 稳定性和可靠性高 相干探测优点： 探测能力强 直接探测－－光的强度：as2 振幅 相位 频率 光波的 相干探测优点： 转换增益高 ΦrΦs G~107－108 外差探测 直接探测 注意：功率为幅值有效值的平方 信号光电流、背景光电流和器件暗电流 热噪声 散粒噪声 仅考虑信号光电流引起的散粒噪声： 直接探测的信噪比： 相干探测优点： 信噪比高 外差探测的信噪比： 仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即 外差探测的量子探测极限 注意：为有效值 相干探测： 直接探测： 仅考虑信号光引起的散粒噪声限制 相干探测信噪比高，最小可探测功率更小 a.相干探测空间条件 b.相干探测频率条件 c.相干探测偏振条件 满足波前匹配条件： 为什么需要角准直？ 探测器表面各点相位相同时： 探测器表面各点 相位不同时： 输出信号－－最大值 输出信号－－减小 －－信号光和本振光在空间上的角准直（共轴） 为什么需要角准直？ 探测器接收面上沿x方向各点的相位不同 信号光和本振光的波前在光混频器表面上没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小 混频器 选通 放大器 观察仪器 高频示波器 频谱分析仪 外差接收 △v，104～1010Hz 信号光和本振光的频率漂移？？？ 采用高单色性和频率稳定度的激光源 两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光 稳频措施： 平方律探测器光混频输出Ihs为： “代数和” ？ 信号光与本振光的偏振方向一致 加检偏器－－获得偏振方向一致 ③ 相干探测的应用举例 －－相位调制 －－频率调制 干涉测量 相干通信 精密测长、测距、测速、测振动、测力、测应变、光谱分析，··· ··· 外层空间特别是卫星之间通信、 光纤通中波分复用 接收解调，··· ··· b.激光多普勒测速 c.CO2激光外差通信 a.激光干涉测量 ③ 相干探测的应用举例 1) 单频激光测长 a.激光干涉测量 1) 单频激光测长 信号光 参考光 单频 a.激光干涉测量 位移l n=1 1) 单频激光测长 例：取n=1, 测量镜位移时观察到探测器的输出为： l = ? 局限性：－－ 不能判别移动方向 1) 单频激光测长 光电探测器4,5 相位差 参考光 信号光 判别移动方向：－－“参照物” 1) 单频激光测长 判别移动方向：－－“参照物” 正反移动方向波形 1) 单频激光测长 信号光 参考光 缺点：空气的折射率n与当时的环境温度、 湿度及气压等因素有关，影响测量精度 2) 双频激光测长 2) 双频激光测长 双频激光干涉仪 －双频激光 －检偏器 －滤波片 －信号光 －参考光 2) 双频激光测长 双频（调制）激光