光电信息检测与处理第一章光调制1

§1.2信息的光调制光强的时域调制§1.2信息的光调制1.2.1光强的时域调制122二维光学空间调制1.2.2二维光学空间调制1.2.3光波参量调制光波参量调制1.2.4光波调制方法什么是信息？什么是信息？信息是事物与过程的表征特性，它的表现形式是数字、公式、记录、图形、符号或其它抽象标志的形式。录、图形、符号或其它抽象标志的形式。信息本身可以认为是属于抽象范畴的，例如数学公式，但其载体总是以一种具有物质能量形态的信号形式出现总是以一种具有物质能量形态的信号形式出现什么是调制？调制就是按照要传递的信息来改变载体的一个或几个参量Fg(a1,a2,...,an,t)•载体•被调制的载体Fg(a1,...aiai(t),...,an,t)aiKx被调制的载体g(,(),,,)•调制函数光波的电场强度为:)cos()(ccctAtE如果能够应用某种物理方法改变光波的这些振幅、频率、相位、强度、偏振等参量之一，使其按照调制信号的规相位、强度、偏振等参量之一，使其按照调制信号的规律变化，就称光波受到了信号的调制，从而达到“运载”信息的目的。信息的目的。信息为什么要调制？信息为什么要调制？信号往往含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频成分或直分，而许多信道并不能传输这种低频成分或直流分量经过光学调制，变成易于在信道中传输的光学信号信号调制技术似乎增加了系统的复杂性，但是改善了光电系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理，提高传输能力，提高信噪比和测量灵敏度。光学调制形式信息加载到光波上必须对光波进行调制。通常有三种形式的调制：对光波（幅度/强度）进行时域调制对光波（幅度/强度）进行时域调制对光波（幅度/强度）进行空域调制对光波（幅度强度）进行空域调制对光波参量（主要是强度、振幅、波长、相位、偏振）进行调制。位、偏振）进行调制。在复杂的光电系统中可能同时存在上述三种形在复杂的光电系统中可能同时存在上述三种形式的混合调制变换。1.时域调制————光载波随时间和信息的变化而变化。光载波随时间和信息的变化而变化。有三种载体形式：恒定状态、振荡状态、脉冲序列有三种载体形式：恒定状态、振荡状态、脉冲序列恒定状态：光强直接调制。一个参量。振荡状态：又称连续波调制，交变光强。三个参量。振荡状态：又称连续波调制，交变光强。三个参量。脉冲序列：脉冲幅度、脉冲位相、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲数以及编码组合。时域光学信息载体适合于一维时域的光学信号的变换与传输，是光电系统中应用最广泛的光学载体，换与传输，是光电系统中应用最广泛的光学载体，光通量(光强)时域调制变换方法是最基本的方法。2.空间域的调制————光载波随空间位置变化后再按信息的变化而变化。光载波随空间位置变化后再按信息的变化而变化。载体是光强的空间分布或空间频率。可以载荷二维光载体是光强的空间分布或空间频率。可以载荷二维光学信息，如图像信息。处理时，通常用扫描方法将二维信息转换为光通量随时间(一维)的变化进行处理。维信息转换为光通量随时间(一维)的变化进行处理。3.光学参量调制————光载波随光波参量和信息的变化而变化光载波随光波参量和信息的变化而变化。。光载波随光波参量和信息的变化而变化光载波随光波参量和信息的变化而变化。。可以作为信息载体的光学参量：光学相位、光学频率、光的振幅、光学波长、光学偏振方向、光的传播方向光的振幅、光学波长、光学偏振方向、光的传播方向以及光学介质的光学常数（折射率、反射率、吸收率）等。等。注意注意光光电探测器只能探测光的强度无论什么样的光电探测器只能探测光的强度无论什么样的光光光电探测器只能探测光的强度，无论什么样的光电探测器只能探测光的强度，无论什么样的光学参量调制，最后必须变换为光强的变化，才能学参量调制，最后必须变换为光强的变化，才能被光电探测器探测，转变为电信号。被光电探测器探测，转变为电信号。调制分类按照载波是否连续可分为连续式调制和脉冲式调制调制分类按照载波是否连续可分为连续式调制和脉冲式调制按照光源与调制器的关系可分为直接调制和间接调制直接调制用电信号直接调制光源的驱动电流，使光源发出的直接调制——用电信号直接调制光源的驱动电流，使光源发出的光功率随信号而变化。优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制，调制速率不高。率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制，调制速率不高。外调制——光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。需要基于电光、磁光、声光效应的调制器实现对光载波的调制。需要基于电光、磁光、声光效应的调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。通信系统。电信号输激光源光纤激光源调制器电信号输入光纤驱动器光信号输出电信号激光源调制器驱动和控制光信号输出驱动器输入(a)驱动和控制(b)两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制模拟调制•一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制；•另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。数字调制数字调制主要指PCM脉码调制。即先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，再对光信号进行通断调制。编码，转化成一组二进制脉冲代码，再对光信号进行通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。121光强的时域调制1.2.1光强的时域调制1.时域光强信号的直接调制（改变光通量形式）1.时域光强信号的直接调制（改变光通量形式）光通量随被测信息的变化而变化2时域光强信号的连续波调制2.时域光强信号的连续波调制3.时域光强信号的脉冲调制信息载荷在光脉冲序列中的脉冲参量上信息载荷在光脉冲序列中的脉冲参量上脉冲振幅调制(PAM)，脉冲频率调制(PFM)，脉冲时间调制(PTM)，脉冲宽度调制，脉冲相位调制，脉冲计数调制，脉冲宽度调制(PDM)，脉冲相位调制(PPM)，脉冲计数调制(PNM)，脉冲编码调制(PCM)光强直接调制系统模型：1.时域光强信号的直接调制（改变光通量形式）光强直接调制系统模型：设光源发射光强Is，光路调制系数α，接收光强Ip，sp通过全微分得到系统的传递函数spII通过全微分得到系统的传递函数ΔαIαΔIΔIssp光路调制变化为光源变动量；Δα是ΔIs讨论：spIIII)2,1，通量进行调制的物理量测量对传输路径中的光度）测量辐射源亮度或温讨论：spII)2，通量进行调制的物理量测量对传输路径中的光是不应该存在的，变化，显然，ΔI若将Δα定义为被测量s除光源影响。以采用双光路比值法消所以为避免光源变动可1.时域光强信号的直接调制（改变光通量形式）时域光强信号的直接调制改变光通量形式单通道单通道工件公差精确测量系统原理图工件公差精确测量系统原理图测量局限：光源辐射的不稳定影响测量精度测量局限：光源辐射的不稳定影响测量精度工件公差精确测量系统原理图工件公差精确测量系统原理图测量局限：光源辐射的不稳定影响测量精度测量局限：光源辐射的不稳定影响测量精度解决办法：解决办法：双通道双通道一是采取稳定发光源；二是双通道测量方法。一是采取稳定发光源；二是双通道测量方法。双通道双通道不仅能完全消除光源辐射的起伏影响，而且在一定程度上消除了杂散光引起的不稳定性，是光通量幅度测量中常用的方法。1.时域光信号的直接调制（改变光通量形式）除此外，光路中可能还存在杂散光。为避免其它除此外，光路中可能还存在杂散光。为避免其它杂散光进入光路，可将光源调制，只有调制的光才是用于测量的光，从而将杂散光通过电路滤波才是用于测量的光，从而将杂散光通过电路滤波滤去。光通量直接调制系统的信噪比（光通量直接调制系统的信噪比（IMIM--DDDD系统）系统）光通量接调制系统的信噪比光通量接调制系统的信噪比系统系统光通量幅度直接调制系统的探测是将光信号直接入射到光探测器光敏面上到光探测器光敏面上光探测器响应光辐射强度而输出光电流或电压流为光电探测器输出的光电平均光功率为2/I21202EPEP普朗克常量为量子效率，，为转换效率，流为光电探测器输出的光电h/2/I02heEPp，则其输出的电功率为为若光探测器的负载电阻LLppRPRIS222LR光电探测器是平方律探测器光电探测器是平方律探测器光功率的平方出的电功率正比于入射上式表面，光探测器输LLpp光电探测器是平方律探测器光电探测器是平方律探测器信噪比信噪比设入射到光探测器的信号光功率为Ps，噪声功率为Pn,光探测器输出的信号功率为Sp，输出的噪声功率为Np。测器输出的信号功率为Sp，输出的噪声功率为Np。1.时域光信号的直接调制（改变光通量形式）直接调制探测方法不能改善输入信噪比，不适于微直接调制探测方法不能改善输入信噪比，不适于微弱光的检测。适合不十分微弱的光信号检测。方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本低，仍方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本低，仍然应用广泛。•测量被测物体的光辐射强度和光谱分析；•测量气体浓度、薄膜厚度；测量气体浓度、薄膜厚度；•测量辐射温度等。2时域光信号的连续波调制2.时域光信号的连续波调制调制波可以是各种形式的常使用调制波可以是各种形式的常使用副载波副载波调制波可以是各种形式的，常使用调制波可以是各种形式的，常使用副载波副载波副载波光强度调制方式，也叫二次调制，可提高信号传输的抗干扰能力，广泛应用于光通信。先将的低频信号调制到一高频载波（为电载波）上，可以是频率、振幅调制；然后用调制后的副上，可以是频率、振幅调制；然后用调制后的副载波对光载波进行强度调制。（1）幅度调制如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：设光波为A(t)=Accos(ωct+φc)如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：A’(t)=Amcosωmt其中A和ω分别是调制信号的振幅和角频率。其中Am和ωm分别是调制信号的振幅和角频率。)cos()cos()(ccmmcttAAtA其调幅波的表达式为：)cos(cos1ccmacccmmcttmA式中，称为调幅系数。AA式中，称为调幅系数。cmaAAm此时振幅Ac不再是常量，而是与调制信号成正比利用三角公式得cmccaccctAmtAtA)(cos2)cos()(此时振幅c不再是常量，而是与调制信号成正比cmccatAm)(cos2调幅波的频谱是由三个频率成分组成：第一项是载频分量，调幅波的频谱是由三个频率成分组成：第一项是载频分量，第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量。调幅caAmcaAmcA幅波22频谱mccmc2谱m2确定调制载波的频谱是选择测量通道带宽的依据确定调制载波的频谱是选择测量通道带宽的依据应用：光源扫频-OFDR（2）频率调制和相位调制调频和调相调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规（2）频率调制和相位调制━━调频和调相调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角(t)的变化，因此统称为角度调制。的变化，因此统称为角度调制。)()(tAtA对于调频而言，就是式)cos()(ccctAtA中的角频率ωc不再是常数，而是随调制信号而变化对于调频而言，就是式()()()ccfttkatc()()()ccf若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：()()()ccfcttdtkatdt()()()()(cos)ccfccfccfmmctka