光电检测技术 (2)PPT讲稿.ppt
光电检测技术第1页，共54页，编辑于2022年，星期五引言 光电检测系统典型光电检测系统的组成和结构第2页，共54页，编辑于2022年，星期五引言 什么是调制与解调n调制与解调是信息传递的基础！例子:广播传输系统广播系统第3页，共54页，编辑于2022年，星期五例子:数字广播或电视传输系统第4页，共54页，编辑于2022年，星期五例子：卫星数字电视系统简图什么是调制与解调?第5页，共54页，编辑于2022年，星期五引言光调制n什么是”光调制”？把信息加载到光载波上，并使光的参量（振幅、频率、相位等）发生变化的过程。思考题:调制的目的?第6页，共54页，编辑于2022年，星期五内容6-1 光调制的基本概念6-2 光信号的调制方法*1、光信号的调制原理；2、调制方法3、调制信号的解调6-3 光束扫描第7页，共54页，编辑于2022年，星期五6-1 光调制的基本概念一、调制概念与分类 调制 将信息加载到介质载体的过程 调制器与解调器 解调 从介质载体分离信息的过程基本分类 复合调制复合调制 1)调制次数 一次调制(直接调制)二次调制(先调制光载波)2)调制方式 时间调制 空间调制 混合调制 3)载波类型 直流载波或交变载波 4)载波波型 连续波型 模拟调制 幅度 角度(频率 相位)离散波型 脉冲调制(方波调制)数字调制第8页，共54页，编辑于2022年，星期五调制的分类信息编码脉冲固定幅度量化噪声较低带宽很大数字调制第9页，共54页，编辑于2022年，星期五调制的基本概念二、调制信息的频谱傅立叶级数展开其中，离散频谱直流分量相位角振幅角频率第10页，共54页，编辑于2022年，星期五6-2 光信号的调制方法光载波调制前/后的函数形式调制函数X(t)AM FM PM一、光信号的调制原理第11页，共54页，编辑于2022年，星期五光信号的振幅调制n振幅调制m为调制深度第12页，共54页，编辑于2022年，星期五光信号的振幅调制举例：若调制信号为时谐正弦信号则有：对于任意调制函数 X(t)：频谱分布 F F 连续带宽 Fmax调幅波频率范围 f0 Fmax 信号带宽 Bm=2Fmaxf0+Ff0-Ff0第13页，共54页，编辑于2022年，星期五光信号的频率调制与相位调制举例：余弦调制的情况频率调制指数宽窄带调频第14页，共54页，编辑于2022年，星期五脉冲调制n脉冲调制通道复用n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。三个基本过程为：1、抽样2、量化3、编码第15页，共54页，编辑于2022年，星期五光信号的调制方法二、调制方法分类：内调制与外调制n所谓的内调制是从发光器的内部采取措施，使光受到调制，例如在He-Ne激光器上加轴向磁场，利用塞曼效应使光频发生分裂实现频率调制；改变半导体激光器的注入电流，使半导体激光器输出的光频和光强按注入电流的变化规律来改变。n所谓的外调制是光在传播过程中进行调制，常用各种调制器来实现，例如电光调制器、声光调制器、磁光调制器等，都是利用光电子物理学方法使输出光的振幅、光的偏振方向、光的传播方向或者光的频率随被测信息改变。第16页，共54页，编辑于2022年，星期五n例子：P-113几种电光调制器的基本结构形式a)克尔盒b)纵调的泡克耳斯盒c)横调的泡克耳斯盒光信号的外调制方法第17页，共54页，编辑于2022年，星期五n例子：P-117声光器件的基本结构示意图声光器件的基本结构示意图光信号的外调制方法第18页，共54页，编辑于2022年，星期五调制盘调制方法n例子：P118磁光调制器结构简图第19页，共54页，编辑于2022年，星期五(一)调制盘调制调制盘是一种光强度调制器，其最基本的作用是把恒定的辐射通量变成周期性重复的光辐射通量，其主要类型包括：光信号的外调制方法第20页，共54页，编辑于2022年，星期五调制盘的类型调制方式AM FM PM WM PC运动方式旋转光点扫描圆周平移调制盘主要作用：1)将静止的目标调制成交流信号以抑制噪声和光源波动的影响，提高系统的检测能力；2)可进行空间滤波，抑制背景噪声；3)提供目标的方位空间等。光信号的外调制方法第21页，共54页，编辑于2022年，星期五1、调制盘输出函数1)空间坐标像面坐标系（x，y）调制盘坐标系（，）第22页，共54页，编辑于2022年，星期五1、调制盘输出函数2)空间频率和傅立叶变换调制盘的空间分布函数运动时的时间频率函数第23页，共54页，编辑于2022年，星期五1、调制盘输出函数第24页，共54页，编辑于2022年，星期五物函数像函数调制盘透过率函数（孔径函数）3)调制盘透过率函数和光通量函数1、调制盘输出函数调制盘透过率函数由图案决定光通量函数检测目标及背景所成像通过调制盘的辐射通量G(x,y)r第25页，共54页，编辑于2022年，星期五2、调制盘的空间滤波作用检测目标及背景所成像对系统的张角检测目标及背景所成像对系统的张角第26页，共54页，编辑于2022年，星期五3、用调制盘确定目标方位失调角q像点方位角 像点偏移量调制深度调制信号的幅值反映像点偏移量的大小调制信号的方位角 由检测时间顺序确定像面坐标系（x，y）调制盘坐标系（，）像点的透视对应关系（，）第27页，共54页，编辑于2022年，星期五(二)光栅莫尔条纹调制光栅 具有周期性空间结构或光学性能(如投射率、反射率)的光学元件光栅的种类n按制造方法：刻划光栅和复制光栅；n按光栅材料：玻璃透射光栅和金属反射光栅；n按表面结构：幅值光栅和相位光栅；n按光栅栅距：粗光栅和细光栅；n按光栅形状：长形光栅和圆形光栅；n按用途：计量光栅(P)和衍射光栅(P);n以及一些特殊光栅，如偏振光栅、全息光栅。第28页，共54页，编辑于2022年，星期五光栅的调制作用：光通量幅度调制和频率调制1)光通量幅度调制莫尔条纹的产生如图6-17莫尔条纹的特点若两光栅沿着垂直于栅线的方向相对移动，莫尔条纹就沿着平行于栅线的方向移动，而且光栅移动一栅距P，条纹就移动一条纹宽度B。则可知，若照射到光栅上的光通量是，则光通量变化为：第29页，共54页，编辑于2022年，星期五例子：光栅读数头示意图如6-18基本工作原理第30页，共54页，编辑于2022年，星期五2)频率调制n基本结构n基本原理若光栅转角速度为，光照射光栅刻划线处的线速度为V，光栅刻划栅距是P，那么一级衍射光发生的频移是：第31页，共54页，编辑于2022年，星期五(三)直接调制n对光源内部进行调制，是目前光纤通信普遍采用的调制方法。根据调制信号类型不同，分为模拟调制和数字调制。什么是模拟调制和数字调制？n半导体激光器LD直接调制半导体光源的模拟调制半导体光源的脉冲编码数字调制第32页，共54页，编辑于2022年，星期五半导体激光器LD直接调制n半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量之间转换的器件，其输出特性和光谱特性分别如下：图6-20 半导体激光器输出特性驱动电流的影响第33页，共54页，编辑于2022年，星期五n调制电路及调制原理电气隔离 偏置电流的选择第34页，共54页，编辑于2022年，星期五半导体光源的模拟调制和脉冲编码数字调制n电致发光的非阈值器件n线性范围大n调制速率受限调制深度半导体发光二极管LEDLEDLDm=调制电流幅度偏置电流-阈值电流m=调制电流幅度偏置电流脉冲编码数字调制调制脉冲幅值第35页，共54页，编辑于2022年，星期五三、调制信号的解调n所谓的解调是将被测信息从调制信号中分离出来的过程n常用的方法：光学法(相干光的干涉场解调、光电检测器件解调等)电子法(二极管检波电路、晶体管峰值检测电路以及相敏检波电路等)n非线性过程n二极管晶体管第36页，共54页，编辑于2022年，星期五1、调幅信号的解调-二极管检波电路第37页，共54页，编辑于2022年，星期五数学解释二极管的单向导通特性：若令：检波的信号为(进行了傅立叶级数展开)再经RC低通滤波得：第38页，共54页，编辑于2022年，星期五调相信号的相敏检波2、调相信号的解调乘法器检波低通滤波信号相位的变化改变信号电压的方向第39页，共54页，编辑于2022年，星期五6-3 光束扫描n光束扫描又称光束扫描变换；n扫描系统分类：扫描方式直线扫描、光栅扫描、圆周扫描、随机扫描、螺旋扫描等扫描方法机械扫描、光学扫描、衍射光栅扫描、电光扫描、电子束扫描、磁光扫描、声光扫描、电子机械扫描、移位电场扫描、压电扫描等n扫描工作参数：扫描周期、扫描线密度、扫描线性度和动态范围、信道频带宽度、扫描数据率、扫描分辨率、扫描精度等。第40页，共54页，编辑于2022年，星期五1)机械扫描基本原理利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动实现光束扫描！振动实现光束扫描！光学系统与目标的相对运动改变检测的位置速度效率稳定性第41页，共54页，编辑于2022年，星期五1)机械扫描第42页，共54页，编辑于2022年，星期五6-33机械转镜法扫描装置示意图1)机械扫描第43页，共54页，编辑于2022年，星期五2)电光扫描n利用电光效应改变扫描光束在空间的传播方向；第44页，共54页，编辑于2022年，星期五例子：双KDP楔形棱镜扫描器双KDP楔形棱镜扫描器第45页，共54页，编辑于2022年，星期五3)电子束扫描电子束在交变电场或磁场作用下会改变它的运动轨迹，从而实现扫描！第46页，共54页，编辑于2022年，星期五3)电子束扫描扫描方式逐点顺序扫描并联扫描串联扫描第47页，共54页，编辑于2022年，星期五4)声光扫描n利用声光效应实现光束扫描偏转的；而声光装置是通过改变声波频率来改变衍射光的方向，使之发生偏转，既可以使光束连续偏转,也可以使分离的光点扫描偏转。(详细内容见教材P117!)换能器带宽布拉格带宽F0=1.5fs可分辨点数偏转时间衍射效率第48页，共54页，编辑于2022年，星期五5)振子扫描器n主要类型有音叉振子、电磁振子和压电振子等；n音叉振子是用音叉振动带动平面镜产生与音叉振动频率相同的平面镜摆动，实现光扫描；压电振子是利用压电陶瓷的压电效应，用压电陶瓷的伸缩带动物镜实现轴向扫描；电磁振子利用电磁力来推动平面镜摆动实现扫描，或者带动物镜实现轴向扫描；注：音叉(tuningfork)：一种有两个叉头的金属器具，敲击后发出持续的固定音，可用于乐器调音和确定标准音高。第49页，共54页，编辑于2022年，星期五例子：光盘中轴向调焦的电磁扫描第50页，共54页，编辑于2022年，星期五光束扫描测量目的 利用窄视场的光电检测通道对大视场复杂目标图像数据采集和再现像空间光强信号时序电信号时序光强信号图像空间光强信号再 现采 集光电转换电光转换光度转换物体表面光学变换几何失真几何失真灰度失真灰度失真(x,y)(v,t)(v,t)(x,y)光学系统扫描系统电路系统显示系统第51页，共54页，编辑于2022年，星期五光束扫描变换关系E0=E(x0)E0=E(v0t)x0=v0t0=AE(v0t)U(t)=KAE(v0t)L(t)=KLKAE(v0t)E1(x1)=KE KLKAEx1v0/v1x1=v1tE1(x1)=KE(vx1)K=KE KLKv=v0/v1光学系统精度限制扫描运动器件参数限制光电变换限制电光变换限制光度变换限制显示限制灰度变换因子比例变换因子第52页，共54页，编辑于2022年，星期五实验安排分组 (J09-403)42人 3 组 每周 2学时 每人 4次 59人 4 组 每周 2组 2学时 每人 2次原则 基本按学号，允许具体时间自行调整 每次实验限16人，两人 1 小组 使用一台仪器 注意 不做实验无实验平时成绩 占 60%实验考试时间另安排 占 40%按实验题目现场调试 30 分钟第53页，共54页，编辑于2022年，星期五实验一 常用光电器件的性能测试光电阻 LED 光敏二极管 光敏三极管 *光电池(可选)光耦合器(可选)器件参数测量 伏安特性测量 光谱特性分析*光电器件的简单应用(可选)具体操作要求见实验室注意事项实验前请复习相关理论知识，自备实验报告纸第54页，共54页，编辑于2022年，星期五
