光电技术第7章3节模板.ppt

7.5 7.5 时变光电信息的调制时变光电信息的调制 l7.5.1 7.5.1 光光辐射的射的调制的基本原理与制的基本原理与类型型 1.1.光辐射调制的原因光辐射调制的原因（1 1）使有用光信号与杂散光等区别开来，光信号应以某一频率）使有用光信号与杂散光等区别开来，光信号应以某一频率变化。变化。（2 2）采用调制检测可消除探测器暗电流的影响。）采用调制检测可消除探测器暗电流的影响。（3 3）交流放大器稳定性好，零漂小，受电源电压波动、温度和）交流放大器稳定性好，零漂小，受电源电压波动、温度和老化的影响较小。若和光信号的调制特性相匹配，采用选频放大老化的影响较小。若和光信号的调制特性相匹配，采用选频放大器或锁相放大等技术方案，可有效抑制噪声，从而实现高精度的器或锁相放大等技术方案，可有效抑制噪声，从而实现高精度的检测。检测。光辐射的调制是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的光辐射的调制是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送的方法。特征变化，以实现信息检测传送的方法。l2.2.光光电信息信息调制的分制的分类 在辐射源或光路系统中在辐射源或光路系统中进行光通量调制的装置称为调制器进行光通量调制的装置称为调制器。从。从已调制信号中分离并提取出有用的信息，即恢复原始信息的过程称已调制信号中分离并提取出有用的信息，即恢复原始信息的过程称为为解调解调。根据调制器与激光器的关系分为根据调制器与激光器的关系分为：内调制（直接调制）与外调制：内调制（直接调制）与外调制内调制：内调制：是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器的输出特性以实现调制。改变激光器的振荡参数，从而改变激光器的输出特性以实现调制。外调制外调制：是在光传播过程中进行调制，常用各种调制器来实现。：是在光传播过程中进行调制，常用各种调制器来实现。是用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，是用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。使光波的某个参量受到调制。按调制性质分为：按调制性质分为：模拟调制模拟调制（调幅、（调幅、调频和调相（调角）调频和调相（调角）、）、脉冲调制脉冲调制（调幅、调宽、调频和调位（脉冲调相或脉冲时间调制）（调幅、调宽、调频和调位（脉冲调相或脉冲时间调制）和和数字调制数字调制光学调制按时空状态和载波性质可分为以下几种类型：光学调制按时空状态和载波性质可分为以下几种类型：（1 1）按时空状态分类）按时空状态分类 时域调制：载波随时间和信息变化。时域调制：载波随时间和信息变化。空域调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。空域调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。(2)(2)按载波波形和调制方式分类按载波波形和调制方式分类 直流载波：载波不随时间变化而只随信息变化的调制；直流载波：载波不随时间变化而只随信息变化的调制；交变载波：载波随时间周期变化的调制。交变载波：载波随时间周期变化的调制。按调制次数分：按调制次数分：一次调制和二次调制一次调制和二次调制一次调制一次调制：将信息直接调制到光载波上；：将信息直接调制到光载波上；二次调制二次调制：将光载波先人为地调制成随时间或空间变化，然后再：将光载波先人为地调制成随时间或空间变化，然后再将被测信息调制到光载波上。将被测信息调制到光载波上。交变载波又分为交变载波又分为连续载波与脉冲载波连续载波与脉冲载波方式。方式。连连续续载载波波调调制制方方式式（模模拟拟调调制制）包包括括调调幅幅波波、调调频频波波、调调相相波波。在任何时刻信息的幅度与载波参数之间都有一一对应关系。在任何时刻信息的幅度与载波参数之间都有一一对应关系。脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频等内容。脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频等内容。l3.典型的调制方法典型的调制方法(1)(1)直接调制直接调制 光通量的直接调制是指光通量随时间或被测信息的变化而变化。光通量的直接调制是指光通量随时间或被测信息的变化而变化。被测信息直接调制光通量。被测信息载荷在光通量的幅度、变被测信息直接调制光通量。被测信息载荷在光通量的幅度、变化的频率和变化的相位上，通过直接检测光通量的这些参量，化的频率和变化的相位上，通过直接检测光通量的这些参量，就可以测量出被测信息。直接调制应用最多的是半导体激光器就可以测量出被测信息。直接调制应用最多的是半导体激光器LDLD和半导体发光器件和半导体发光器件LED.LED.载波的交变分量叠加在直流分量之上，被测信息可以对交流分载波的交变分量叠加在直流分量之上，被测信息可以对交流分量的振幅、频率或者初相位等参数进行调制，使之随信息变化。一量的振幅、频率或者初相位等参数进行调制，使之随信息变化。一般情况下，调制后的载波信号的形式为般情况下，调制后的载波信号的形式为 式中，式中，V（t）为由被测信息决定的调制函数，为由被测信息决定的调制函数，根据调制参量的不同根据调制参量的不同可以分为：可以分为：振幅调制（振幅调制（AMAM）：）：调制参量为调制参量为 ；频率调制（频率调制（FMFM）：）：调制参量为调制参量为 ；相位调制（相位调制（PMPM）：）：调制参量为载波的初始相位调制参量为载波的初始相位 。（777）(2)(2)连续波调制（模拟调制）连续波调制（模拟调制）连续波调制的光载波通常具有谐波的形式，用下列函数描述连续波调制的光载波通常具有谐波的形式，用下列函数描述 振幅调制振幅调制 光载波信号的光载波信号的幅度瞬时值随调制信息成比例变化幅度瞬时值随调制信息成比例变化，而频率、相位，而频率、相位保持不变的调制方法称幅度调制或调幅。保持不变的调制方法称幅度调制或调幅。（778）式式中中V V（t t）是是调调制制函函数数，规规定定；m m是是调调制制度度或或调调制制深深度度，表表示示V V（t t）对载波幅度的调制能力，并且）对载波幅度的调制能力，并且 （779）以最简单的正弦调制函数为例讨论幅度调制的一般规律，分析调以最简单的正弦调制函数为例讨论幅度调制的一般规律，分析调幅波的形成过程和它的幅波的形成过程和它的频谱分布频谱分布。对于频谱分布在对于频谱分布在F F0 0 FF（=2F=2F0 0）范围内的任意函数）范围内的任意函数V(t)V(t)，所对应的调幅波频谱是由以载波频率，所对应的调幅波频谱是由以载波频率f f0 0为中心的一系列边频组为中心的一系列边频组成，分别为成，分别为f f0 0 F F1 1；f f0 0 F F2 2；f f0 0 FF。式中。式中F F1 1，F F2 2均为均为FF内内的频谱分量；频谱图如图的频谱分量；频谱图如图7-48(e)7-48(e)所示。若调制信号具有连续的带所示。若调制信号具有连续的带宽宽F Fmaxmax，则调幅波的频带是，则调幅波的频带是f f0 0 F Fmaxmax，带宽为，带宽为B Bm m=2 F=2 Fmaxmax，其中，其中F Fmaxmax是是调制信号的最高频率（图中虚线）。调制信号的最高频率（图中虚线）。调制载波的频谱是选择检测通道带宽的依据。调制载波的频谱是选择检测通道带宽的依据。如若载波频率为如若载波频率为f f0 0=10 kHz=10 kHz，调制信号频率为，调制信号频率为F F0 0500Hz500Hz，则调幅后的载波频谱分布在，则调幅后的载波频谱分布在f fL L（10100.50.5）kHzkHz9.5kHz9.5kHz和和f fH H（10100.50.5）kHzkHz10.5kHz10.5kHz之间，之间，也就是调幅波的带宽为也就是调幅波的带宽为B Bm m=1kHz=1kHz。因此，。因此，检测通道的带宽满足检测通道的带宽满足B Bm m的要的要求求，对带宽外的信号进行有选择地滤波，以便减少噪声和干扰，有利，对带宽外的信号进行有选择地滤波，以便减少噪声和干扰，有利于提高信噪比。于提高信噪比。频率调制频率调制 频频率率调调制制（调调频频）是是指指光光载载波波的的频频率率按按调调制制信信号号的的幅幅度度改改变变，使使调调制制后后的的调调频频波波频频率率偏偏离离开开原原有有的的载载波波频频率率，其其瞬瞬时时偏偏离离值值与与调调制信号幅度瞬时值成正比，载波的振幅保持不变。制信号幅度瞬时值成正比，载波的振幅保持不变。（782）式中式中V V（t t）为调制函数，规定）为调制函数，规定 ；是载波频是载波频率相对于中心频率率相对于中心频率f f0 0的最大频率偏差，简称的最大频率偏差，简称频偏频偏。0当当 时，载波频率的变化最大，为时，载波频率的变化最大，为 。（783）对于最简单的余弦调制函数的情况，对于最简单的余弦调制函数的情况，式中式中 为调制角频率。为调制角频率。式中式中 为频率调制指数。为频率调制指数。为偏频，为偏频，F F为调制频为调制频率。率。表示单位调制频率引起频偏变化的大小。表示单位调制频率引起频偏变化的大小。f当当 时称为时称为宽带调频宽带调频，时称为时称为窄带调频窄带调频。（785）（784），；（786）频谱的基波频率为频谱的基波频率为 ，组合频率为，组合频率为 和和 。一般情况下，调制信号形式比较复杂时，频谱是以载波频一般情况下，调制信号形式比较复杂时，频谱是以载波频率为中心的一个带宽域，带宽因率为中心的一个带宽域，带宽因 而异。窄带调频时的而异。窄带调频时的带宽为带宽为 ，宽带调频时的带宽，宽带调频时的带宽 。例如，对光通量调频，若例如，对光通量调频，若F=300HzF=300Hz，则当，则当 =40 =40时时=24.6kHz=24.6kHz=4=4时时 =3kHz=3kHz =0.4=0.4时时 =0.6kHz=0.6kHz 在在窄带调频窄带调频的情况下的情况下 相位调制相位调制 相相位位调调制制为为载载波波的的相相位位角角随随着着调调制制信信号号的的变变化化而而变变化化的的调调制制。调频和调相两种调制波最终都表现为总相角的变化。调频和调相两种调制波最终都表现为总相角的变化。则调相波可写为则调相波可写为 （787）（788）式中式中 为相位比例系数，为相位比例系数，为光载波的初相位。为光载波的初相位。(2)(2)脉冲调制脉冲调制脉脉冲冲调调制制是是用用间间歇歇的的周周期期性性脉脉冲冲序序列列作作为为载载波波，使使载载波波的的某某一一参参量量按调制信号规律变化的调制方法。即先用模拟调制信号对某一电按调制信号规律变化的调制方法。即先用模拟调制信号对某一电脉脉冲冲调调制制有有脉脉冲冲幅幅度度调调制制、脉脉冲冲宽宽度度调调制制、脉脉冲冲频频率率调调制制、脉脉冲冲时时间间调调制制。脉脉冲冲相相位位调调制制、脉脉冲冲计计数数调调制制、脉脉冲冲编编码码调调制制等等。图图7-507-50所所示示为为各各种种类类型型的的脉脉冲冲调调制制方方式式的的波形图。波形图。脉冲序列的参量进行电调制，使之按调脉冲序列的参量进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已调电脉冲序列，制信号规律变化，成为已调电脉冲序列，然后再用这已调电脉冲序列对光载波进然后再用这已调电脉冲序列对光载波进行强度调制，就可以得到相应变化的光行强度调制，就可以得到相应变化的光脉冲序列。脉冲序列。(3)(3)编码调制（数字调制）编码调制（数字调制）编编码码调调制制把把模模拟拟信信号号先先变变成成序序列列脉脉冲冲，再再变变成成代代表表信信号号信信息息的的二二进进制制编编码码，然然后后对对载载波波进进行行强强度度调调制制。要要实实现现编编码码调调制制，必必须进行三个过程，即须进行三个过程，即采样、量化和编码采样、量化和编码。采样采样：就是将连续信号分割成不连续的脉冲，用一定的脉：就是将连续信号分割成不连续的脉冲，用一定的脉冲序列来表示，且序列脉冲的幅度与信号波的幅度相对应。即冲序列来表示，且序列脉冲的幅度与信号波的幅度相对应。即通过采样，原来的模拟信号变成脉幅调制信号。根据采样定理，通过采样，原来的模拟信号变成脉幅调制信号。根据采样定理，只要采样频率比所传递信号的最高频率大两倍以上，就能够恢只要采样频率比所传递信号的最高频率大两倍以上，就能够恢复原信号。复原信号。量化：量化：将采样后的调幅脉冲进行分级、取将采样后的调幅脉冲进行分级、取“整整”处理，用有处理，用有限个数的代表值取代采样值的大小。经采样再通过量化过程即限个数的代表值取代采样值的大小。经采样再通过量化过程即变成数字信号。变成数字信号。编码：将将量量化化后后的的数数字字信信号号变换成成相相应的的二二进制制码的的过程程。即即用用一一组等等幅幅度度、等等宽度度的的脉脉冲冲作作为“码”，用用“有有”脉脉冲冲和和“无无”脉脉冲冲分分别表表示示二二进制制数数码的的“1”和和“0”。再再将将这一一系系列列反反映映数数字字信信号号规律律的的电脉脉冲冲加加到到一一个个调制制器器上上，由由激激光光载波波的的极极大大值代代表表二二进制制编码的的“1”，而而用用激激光光载波波的的零零值代代表表“0”。这种种编码调制制方方式式具具有有很很强的的抗抗干干扰能力，在数字通信中得到广泛的能力，在数字通信中得到广泛的应用。用。(3)(3)编码调制（数字调制）编码调制（数字调制）数字调制数字调制1模拟信号转换为数字编码的过程模拟信号转换为数字编码的过程数数字字系系统统比比模模拟拟系系统统所所具具有有的的最最大大优优点点是是不不受受噪噪声声和和失失真真的的干干扰扰，为为此此付付出出的的代代价价是是系系统统频频带带比比相相应应的的模模拟拟信信号号带带宽宽要要大大得得多。具体采用何种调制方式取决于下面几点：多。具体采用何种调制方式取决于下面几点：（1 1）应有效地、失真最小地携带并检测信息；）应有效地、失真最小地携带并检测信息；（2 2）有利于抑制噪声，满足精度要求；）有利于抑制噪声，满足精度要求；（3 3）系统易于实现。）系统易于实现。注注意意：由由于于光光电电探探测测器器仅仅响响应应于于光光功功率率（辐辐射射通通量量），所所以以各各种光波参数的调制最终均需转化为光功率的变化。种光波参数的调制最终均需转化为光功率的变化。在在模模拟拟调调制制形形式式中中，信信息息信信号号连连续续改改变变载载波波的的参参量量；脉脉冲冲调调制制和和数数字字调调制制是是对对信信息息信信号号的的幅幅度度按按一一定定规规律律间间隔隔采采样样，而而用用脉脉冲序列做载波。冲序列做载波。(4)(4)其它参量调制（其它参量调制（光偏振调制光偏振调制）能够表征光波的几何或物理特性的参量除光强、变化频率和相能够表征光波的几何或物理特性的参量除光强、变化频率和相位之外还有许多其他的参量，比如位之外还有许多其他的参量，比如光传输中偏振方向和传播方向等，光传输中偏振方向和传播方向等，这些参量也能作为调制的对象这些参量也能作为调制的对象，用来传送有用的信息，用来传送有用的信息。如光波在如光波在旋光性物质旋光性物质中传播时，偏振面的转动可以用来取得有中传播时，偏振面的转动可以用来取得有关该物质性质的信息。例如糖溶液或松节油可使通过该溶液偏振光关该物质性质的信息。例如糖溶液或松节油可使通过该溶液偏振光的偏振面转角的偏振面转角，它不仅与通过溶液的路程，它不仅与通过溶液的路程l有关，而且还正比于有关，而且还正比于溶液的浓度溶液的浓度c，即，即 （789）式中，式中，a a为溶液的旋光率。由于偏振面的旋转角有方向性，例如葡为溶液的旋光率。由于偏振面的旋转角有方向性，例如葡萄糖为右旋，果糖为左旋，因此，通过测量偏振的旋转角可以获得萄糖为右旋，果糖为左旋，因此，通过测量偏振的旋转角可以获得溶液的浓度和物质的性质。溶液的浓度和物质的性质。典型光调制器典型光调制器（1 1）振幅调制：）振幅调制：电光光强调制器、调制盘。电光光强调制器、调制盘。（2 2）频率调制：）频率调制：声光频移器。声光频移器。（3 3）相位调制：电光相位调制器、声光相位调制器或）相位调制：电光相位调制器、声光相位调制器或利用干涉现象实现光相位调制。利用干涉现象实现光相位调制。（4 4）偏振面调制：电光调制器、磁光调制器。）偏振面调制：电光调制器、磁光调制器。（5 5）光束方向调制：声光偏转器。）光束方向调制：声光偏转器。光学相位调制（光学相位调制（利用干涉现象利用干涉现象）l一、光学相位一、光学相位调制的基本原理制的基本原理光光学学相相位位调制制是是基基于于光光的的干干涉涉原原理理，它它利利用用两两束束相相干干光光束束的的叠叠加加而而产生生的的干干涉涉条条纹随随被被测量量的的变化化而而变化化的的现象象，使使被被测量量载荷荷在在光光的的相相位位上上。光光波波的的相相位位由由光光传播播的的物物理理长度度、传播播介介质的的折折射射率率等等参参数数决决定定，也也就就是是说改改变上上述述参参量量即即可可产生生光光波波相相位位的的变化化，实现相相位位调制制。但但是是，目目前前市市场上上的的各各类光光探探测器器都都是是不不能能感感知知光光波波相相位位的的变化化，必必须采采用用光光的的干干涉涉技技术将将相相位位变化化转变为光光强变化化，才才能能实现对外外界界物物理理量量的的检测，因因此此，光光学学相相位位调制制应包包括括两两部部分分，一一是是产生生光波相位光波相位变化的物理机理；二是光的干涉化的物理机理；二是光的干涉。两相干光波的复振幅分布：两相干光波的复振幅分布：两束光叠加形成的干涉场光强分布为：两束光叠加形成的干涉场光强分布为：若若干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，相位差又可以看成为光干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，相位差又可以看成为光程差，当光传输介质的折射率为程差，当光传输介质的折射率为n时，相位差是光传输距离的线时，相位差是光传输距离的线积分：积分：对均匀介质：对均匀介质：这说明光传输介质的这说明光传输介质的折射率和光程长度的变化折射率和光程长度的变化都将导致相位差都将导致相位差的变化，从而引起干涉强度的变化，这一性质被用于改变光载的变化，从而引起干涉强度的变化，这一性质被用于改变光载波的特征参量，作为光学相位调制的基本手段。波的特征参量，作为光学相位调制的基本手段。光学相位调制是在单一频率的相干光路中，被测量使光波的相光学相位调制是在单一频率的相干光路中，被测量使光波的相位受到被测量的调制，通过干涉作用把光相位的变化变换为光位受到被测量的调制，通过干涉作用把光相位的变化变换为光振幅的变化。振幅的变化。利用干涉现象实现利用干涉现象实现光相位调制光相位调制 利用干涉现象调制的关键是对光程差或相位差进行调制。利用干涉现象调制的关键是对光程差或相位差进行调制。光学干涉仪有：迈克耳逊干涉仪、马赫泽德干涉仪、法布里光学干涉仪有：迈克耳逊干涉仪、马赫泽德干涉仪、法布里珀罗干涉仪等珀罗干涉仪等这种干涉仪的这种干涉仪的特点是条纹对特点是条纹对比度好，信噪比度好，信噪比高，测量灵比高，测量灵敏度高等敏度高等光学频率调制光学频率调制光学频率调制光学频率调制（利用外差检测和多普勒效应利用外差检测和多普勒效应利用外差检测和多普勒效应利用外差检测和多普勒效应）光学光学频率率调制是被制是被测物理量物理量载荷于光学差荷于光学差频上。根上。根据光据光频差的差的获得和差得和差频信号信号检测方式不同，大致方式不同，大致可分可分为三种三种类型：参量型：参量调频、固定固定频移移和直接和直接调频。固定固定频移移：使用：使用频移器件使参考光波相移器件使参考光波相对于信号光于信号光形成一固定的形成一固定的频率偏移，或利用率偏移，或利用双双频光源光源形成有形成有一定一定频差的两束相干光束。被差的两束相干光束。被测信号信号对其中一束其中一束光波光波进行行调制，用外差制，用外差检测其差其差频信号就可以信号就可以测定被定被测参量参量利用固定利用固定频移移进行外差行外差检测的例子是的例子是双双频激光干激光干涉涉仪。双频激光干仪双频激光干仪光光学学多多普普勒勒频频移移参考信号参考信号1 1、电光调制器、电光调制器典型光学调制器典型光学调制器3电光调制主要用于激光调制，是利用晶体在外加电场的作用下电光调制主要用于激光调制，是利用晶体在外加电场的作用下折射率的变化使光强的振幅及相位发生变化来实现光调制的。折射率的变化使光强的振幅及相位发生变化来实现光调制的。作用？作用？l纵向电光强度调制（电光晶体纵向电光强度调制（电光晶体KDPKDP）电光调制的基本原理及公式推导-强度调制电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，P2的偏振方向平行于y轴当沿晶体z轴方向加电场后，x和y轴旋转45变为感应主轴x和y1 1、电光调制器、电光调制器1 1 电光晶体电光晶体KDPKDP置于两个正交的偏振器之间置于两个正交的偏振器之间2 P12 P1的偏振方向平行于电光晶体的的偏振方向平行于电光晶体的x x轴，轴，P2P2的偏振方向平行于的偏振方向平行于y y轴轴3 3 当当沿沿晶晶体体z z轴轴方方向向加加电电场场后后，x x和和y y轴轴旋旋转转4545变变为为感感应应主主轴轴x x 和和y y4 4 在调制器的光路上插入一个在调制器的光路上插入一个1/41/4波片，使其快慢轴与晶体主轴波片，使其快慢轴与晶体主轴x x成成4545角，从而使角，从而使 ExEx和和EyEy二分量间产生二分量间产生/2/2的固定相位差。的固定相位差。2 2、声光调制器、声光调制器典型光学调制器典型光学调制器声光调制是利用声光调制是利用声光效应声光效应将信息加载于光载波上的一种物理过将信息加载于光载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电声换能器上，程。调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电声换能器上，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带携带”信息的信息的强度强度调制波调制波。声光调制器由声光介质、电声换能器、吸收（反射声光调制器由声光介质、电声换能器、吸收（反射)装置、装置、驱动电源等组成。驱动电源等组成。2 2、声光调制器、声光调制器典型光学调制器典型光学调制器声光调制是声光调制是声波和光波声波和光波作用的一种调制方式。声波是一种机械作用的一种调制方式。声波是一种机械波，而且又是纵波。当声波在介质中传播时，会引起介质密度波，而且又是纵波。当声波在介质中传播时，会引起介质密度周期性的疏密变化。由于周期性的疏密变化。由于介质密度介质密度的这种变化，会引起介质的的这种变化，会引起介质的介电系数及折射率也作周期变化。这种效应称为介电系数及折射率也作周期变化。这种效应称为光弹效应。光弹效应。因此，介质折射率随超声波信号的变化而变化，从而影响着光因此，介质折射率随超声波信号的变化而变化，从而影响着光在此介质中传播特性的变化，即光的强度、频率等参数随超声在此介质中传播特性的变化，即光的强度、频率等参数随超声信号的变化而变化，称此效应为信号的变化而变化，称此效应为声光效应声光效应。介质中的折射率的这种疏密变化等效于一个光栅，等效光栅介质中的折射率的这种疏密变化等效于一个光栅，等效光栅的栅距为的栅距为声波的波长声波的波长 。光通过声光介质时产生衍射。声光衍射分为喇曼奈斯和光通过声光介质时产生衍射。声光衍射分为喇曼奈斯和布布拉格衍射拉格衍射。声光调制器声光调制器 声光调制器声光调制器入射角满足布拉格衍射条件：入射角满足布拉格衍射条件：时，布拉格衍射就能将时，布拉格衍射就能将入射能量全部转移到入射能量全部转移到0级及级及1级的衍射光上。级的衍射光上。0级及级及1级衍射光的光强分别为：级衍射光的光强分别为：K K1 1是和介质有关的是和介质有关的常数，常数，I I是入射光强，是入射光强，P Ps s是介质中超声波是介质中超声波的功率，的功率，V V是换能器是换能器上的电压。因此衍上的电压。因此衍射光光强的幅值受射光光强的幅值受加到换能器上的调加到换能器上的调制电压控制。制电压控制。l7.5.3调制信号的解调调制信号的解调 从已调制信号中分离出有用信息的过程称为从已调制信号中分离出有用信息的过程称为解调解调，所以也称作检波，是信号调制的相反过程。，所以也称作检波，是信号调制的相反过程。实现解调作用的装置是解调器。实现解调作用的装置是解调器。不同的调制信号有不同的解调方法。下面介不同的调制信号有不同的解调方法。下面介绍调幅波解调的绍调幅波解调的直线律检波直线律检波和相位调制波的解调和相位调制波的解调器器相敏检波相敏检波。二二极极管管峰峰值值检检波波器器原原理理：由由二二极极管管峰峰值值检检波波电电路路完完成成。通通过过二二极极管管正正向向快快速速充充电电达达到到待待测测电电压压的的峰峰值值，而二极管而二极管反向截止时反向截止时“保持保持”该峰值。该峰值。1 1直线律检波（针对调幅波）直线律检波（针对调幅波）(1)(1)二极管的检波特性二极管的检波特性 解调是将调制信号从载波中分离出来。显然，这个信号的变换解调是将调制信号从载波中分离出来。显然，这个信号的变换过程为非线性过程，需要利用非线性元件来完成。利用具有良好单过程为非线性过程，需要利用非线性元件来完成。利用具有良好单向导电特性的二极管构成的如图向导电特性的二极管构成的如图7-577-57所示的检波电路可以实现调幅所示的检波电路可以实现调幅波的解调工作。图波的解调工作。图7-577-57所示的检波电路由检波二极管所示的检波电路由检波二极管D D、负载电阻、负载电阻R R和滤波电容和滤波电容C C构成。构成。当如图当如图7-587-58所示的调幅波所示的调幅波U Uinin（如图（如图7-58(a)7-58(a)所示）送入到检波电路输入端时，经二极所示）送入到检波电路输入端时，经二极管检波器输出如图管检波器输出如图7-58(b)7-58(b)所示的半波整所示的半波整流信号。即半波整流的输出电压为流信号。即半波整流的输出电压为 （791）(2)(2)调幅信号的解调调幅信号的解调 用直线律检波器对调幅信号进行解调是用直线律检波器对调幅信号进行解调是最简单的解调方式。假设按正弦规律调幅的最简单的解调方式。假设按正弦规律调幅的光载波信号经光电变换及隔直处理后具有下光载波信号经光电变换及隔直处理后具有下列形式列形式 （792）式中式中m m为调制度；为调制度；为调制频率；为调制频率；为载波为载波频率。代入式频率。代入式(7-91)(7-91)；并用傅里叶级数展；并用傅里叶级数展开，得开，得 （793）除去高次谐波后除去高次谐波后 ，得到调幅信号。，得到调幅信号。（794）l2 2相敏相敏检波（主要波（主要针对调相波）相波）l(1)(1)相敏相敏检波和同步解波和同步解调 对于相位调制的载波信号，载波和参对于相位调制的载波信号，载波和参考信号间的相位差随被测信息改变。这种考信号间的相位差随被测信息改变。这种信号的解调，应该对信号的解调，应该对载波的相位敏感载波的相位敏感，检，检波器的输出电压应反映出相位的变化。相波器的输出电压应反映出相位的变化。相应解调器的工作特性如图应解调器的工作特性如图7-597-59所示。所示。在另外的情况下，对于有些调幅信号，不仅要求检测变量变化的大在另外的情况下，对于有些调幅信号，不仅要求检测变量变化的大小，而且希望确定变化的小，而且希望确定变化的方向或极性方向或极性。对这种有极性变量的调制，。对这种有极性变量的调制，通常可用通常可用载波的幅度大小表示变量的数值而用载波的相位正反表示载波的幅度大小表示变量的数值而用载波的相位正反表示变量的极性变量的极性。显然为处理这种调幅信号也需要有对相位敏感的解调。显然为处理这种调幅信号也需要有对相位敏感的解调方法。这种不仅能检测出调制信号的幅度，而且能确定载波相位数方法。这种不仅能检测出调制信号的幅度，而且能确定载波相位数值的解调称作相敏检波或同步检相，它的基本原理是乘积检波。值的解调称作相敏检波或同步检相，它的基本原理是乘积检波。(2)(2)相敏检波器的基本原理相敏检波器的基本原理 如图如图7-607-60所示为相敏检波器的原理与频谱特性，它由乘法器构所示为相敏检波器的原理与频谱特性，它由乘法器构成的解调器和低通滤波器串联而成。这里，解调器被看成由已调制成的解调器和低通滤波器串联而成。这里，解调器被看成由已调制的信号和参考信号间的模拟乘法器组成。模拟乘法器对调制信号具的信号和参考信号间的模拟乘法器组成。模拟乘法器对调制信号具有检波功能，因此又称为乘积检波器。有检波功能，因此又称为乘积检波器。设设载载波波受受单单一一频频率率谐谐波波调调幅幅，其其调调幅幅信信号号为为 ，用用做做相相位位比比较较的的参参考考信信号号为为 ，式式中中，两两信信号号间间的的相相位位差差 可可以以作作为为变变量量。为为简简单单起起见见，设设 。解解调调器器的的输输出出信信号号U Uo o为为调调幅幅信信号号U Uinin与与参考参考U Uc c乘积，即乘积，即（795）乘法器的输出信号包括乘法器的输出信号包括 、和和 三项，具有如图三项，具有如图7-60(b)7-60(b)所示的频谱分布。由频谱分布所示的频谱分布。由频谱分布图可见，输出的低频（图可见，输出的低频（=）信号幅度最高，为）信号幅度最高，为 。而高频而高频 与与 信号幅度较低，为信号幅度较低，为 当当时，用低通滤波器可以滤除式时，用低通滤波器可以滤除式(7-95)(7-95)中的高频项，中的高频项，使得相敏检波器的最终输出为使得相敏检波器的最终输出为 （796）相相敏敏检检波波器器能能够够消消除除高高次次谐谐波波的的影影响响，使使输输出出信信号号幅幅度度与与载载波波信信号号的的幅幅度度成成正正比比。因因此此能能够够解解调调或或再再现出调幅信号；现出调幅信号；相相敏敏检检波波器器的的输输出出信信号号与与载载波波和和参参考考信信号号之之间间的的相相位位差差 有有关关。在在载载波波信信号号幅幅度度不不变变的的条条件件下下能能够够单单值值地地确确定定载载波波信信号号和和参参考考信信号号之之间间的相位差。的相位差。当当 =0=0时，时，为正值。当，为正值。当 =时，时，为负值，为负值。由输出信号的正、负值可以判断载波和参考信号之间的相位差由输出信号的正、负值可以判断载波和参考信号之间的相位差 或二者之间的极性。利用这个性质，也可以判断相对运动物体几何或二者之间的极性。利用这个性质，也可以判断相对运动物体几何位移量变化的方向。位移量变化的方向。(3)(3)典型的相敏检波电路典型的相敏检波电路 如图如图7-617-61所示为常用的二极管环形检相电路和三极管相敏检波电所示为常用的二极管环形检相电路和三极管相敏检波电路。已调制的载波信号通过放大器路。已调制的载波信号通过放大器K K由输入变压器输入，参考电压由输入变压器输入，参考电压由中心抽头变压器引入。由中心抽头变压器引入。在参考电压的正负半在参考电压的正负半周期内分别控制两对二极周期内分别控制两对二极管或三极管的通断，使输管或三极管的通断，使输入信号在负载电阻上进行入信号在负载电阻上进行全波整流输出。输出电流全波整流输出。输出电流的流向取决于参考电压和的流向取决于参考电压和信号电压的相位关系，以信号电压的相位关系，以达到检相检波的目的。达到检相检波的目的。相敏检波电路相敏检波电路+（正半周）（正半周）（负半周）（负半周）参考信号参考信号已调制的已调制的载波信号载波信号同频，同相同频，同相或反相；或反相；与与载波与参考信载波与参考信号相位差为号相位差为0参考信号为正半周时，电流的路径参考信号为正半周时，电流的路径R(a)VD1RVD4RRVD2VD32uBAT2suus1us2u21u22CDORLMuoT1+us1CR+us2RLM+u22Ruo(b)+us1C+us2RLM(c)DRRD+u21OOuoA参考信号为负半周时，电流的路径参考信号为负半周时，电流的路径 i i4 4大于大于i i3 3载波与参考信载波与参考信号相位差为号相位差为0