光辐射的调制第十四周周二

光辐射的调制第十四周周二第一页，共七十七页，2022年，8月28日调制是光电系统中一重要环节。是通过改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等携带信息的过程。调制的目的是对信号或传榆的信息做某种变换，以便处理、传输和检测。在无线电通信领域中应用调制和解调技术。例如，在对直流信号进行放大时，通常采用将直流信号调制成交流信号，先进行交流放大，再分离出直流信号的方法，以克服采用直流放大器的零点漂移。而解调是从已调制信号中恢复原始信号的过程，故解调即通常所说的信息检测。第二页，共七十七页，2022年，8月28日●光辐射的调制方法很多。传统的是用调制盘对光辐射强度（能量）进行调制。现代的是利用外电、声、磁场的微扰引起介质的非线性极化，从而改变了介质的光学性质，即利用外场通过光和介质相互作用实现对光辐射振幅、频率、相位等的调制。

●目前用得较多的是电光调制、声光调制。●按调制在光源内发生还是在光源外进行来分类，还可以将调制分为内调制和外调制两类。第三页，共七十七页，2022年，8月28日8—1调制的基本原理一、调制的基本概念调制就是使载波的某一参量（幅度、频率、相位）按待传输信号规律变化的过程。调制不仅可以使光信号携带信息，具有与背景辐射不同的特征而便于抑制背景光的干扰，而且可以抑制系统中各环节的固有噪声和外部电磁场的干扰

光波的调制形式可以分为三类：模拟调制、脉冲调制和数字调制第四页，共七十七页，2022年，8月28日在模拟调制中，信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振。因此在任何时刻，信号的幅度与波参数的幅度之间都有一一对应的关系。模拟调制包括调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种方式，其中调频和调相又称为调角。调频(或调角)系统比调幅系统有较高的抗干扰能力：噪声叠加在信号幅度上，可以通过限幅去削掉一部分噪声而不影响信息的检出。但是调幅系统实现起来相对简单一些。第五页，共七十七页，2022年，8月28日脉冲调制和数字调制则是对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，而用脉冲序列作载波。脉冲调制中，脉冲序列的某一参量随低频调制信号的变化而变化。脉冲调制主要有脉冲调幅(PAM)、脉冲调宽(PWM)、脉冲调频(PFM)和脉冲调位(PPM)脉冲调制第六页，共七十七页，2022年，8月28日是把信息信号以编码形式转变为脉冲序列。这些载波脉冲在时间位置固定，而幅度被量化。最简单的编码形式是采用二进制。用“0”态和“1”态组成的码集去携带信息，这些二进制脉冲串代表了原始信号的幅度。

数字调制数字-比模拟系统不受噪声和失真的干扰，为此付出的代价是系统频带要求宽每一毫秒的瞬间模拟信号被采样一次，并被转化为3bit两电平二进制信号第七页，共七十七页，2022年，8月28日

数字调制即编码过程●每一毫秒的瞬间模拟信号被采样一次，并被转化为3bit两电平二进制信号；●实际需8位以上，以提高取样值量化精度；●两个相邻取样点之间的时间间隔内，信息信号作为脉冲序列被传输第八页，共七十七页，2022年，8月28日二、调制信号的频谱第九页，共七十七页，2022年，8月28日●付里叶级数揭示信号频谱持性，可将任何周期信号分解，表成直流分量与无数谐波分量（不同频率的正弦信号）之和；或者相反，实现信号合成。第十页，共七十七页，2022年，8月28日第十一页，共七十七页，2022年，8月28日第十二页，共七十七页，2022年，8月28日第十三页，共七十七页，2022年，8月28日(2)调幅信号的频谱调幅：用低频调制信号直接控制高频载波振幅的过程称为振幅调制。通常载波为余弦被，且载频比调制信号频率高很多。第十四页，共七十七页，2022年，8月28日第十五页，共七十七页，2022年，8月28日

在调幅波中，载波并不能传送有用信号、只有边频才能传送有用信号。总功率中至多只有三分之一（当调制最大m＝1时）被用来传送有用信号。能量利用效率较低，这是调幅的一个主要缺点。调幅的优点是占用频带较窄，容易实现其信号处理。系统亦比调频系统结构简单，工作可靠。第十六页，共七十七页，2022年，8月28日(3)调角信号的频谱调角：载波信号的相角按照调制信号的规律变化调频第十七页，共七十七页，2022年，8月28日调相第十八页，共七十七页，2022年，8月28日调频波及其频谱：单频正弦调频第十九页，共七十七页，2022年，8月28日调频指数：表示最大相位偏移量

最大频率漂移量，最大频偏第二十页，共七十七页，2022年，8月28日最大频率漂移量--最大频偏相对ω0最大频偏，Δω，正比于Em，与Ω无关第二十一页，共七十七页，2022年，8月28日调频波特点、频宽第二十二页，共七十七页，2022年，8月28日●调频波频谱由载频ω0和许多对边频ω0+-nΩ组成●这些边频对称分布在载频两侧，间隔为调制信号频率Ω第二十三页，共七十七页，2022年，8月28日不同mf值下Jn(mf)与边频次数n关系各边频相对振幅随mf而变化：●给定的边频次数n,振幅随mf而变化；●mf越大，振幅较大边频对越多；●接近mf后的第n边频振幅迅速减小直到零第二十四页，共七十七页，2022年，8月28日●Mf较小时，谱线较大的边频都集中在载频附近●随Mf增大，边频振幅增大，数量增加●Ω不变Em增加时，mf、Δω增加，谱线间隔不变，谱线增多，频带加宽●Em不变而Ω增大时，Δω不变；mf随Ω减小而增大，边频数目增加，谱线变密，带宽不变各频率分量振幅相对大小●调频波带宽随调制信号幅度增大而加宽，与调制频率无关第二十五页，共七十七页，2022年，8月28日●频带宽：对于每一调频指数mf,有一边频数nmax,从其后振幅显著变小。把nmax以内边频称为有效边频，nmax对（pair)之间频带称为有效带宽；●mf>5时，决定频谱强度的Jn(mf)在n>mf后很快趋于零，取n=mf阶谱线决定带宽：ΔB=2mfΩ=2Δω---宽带调频●mf<<1,调频波频谱与调幅波相同，ΔB=2Ω-----窄带调频调频波特点宽带调频的带宽为调幅波的mf倍，这是调频波的最大缺点第二十六页，共七十七页，2022年，8月28日●抗干扰性能好由于调频指数可大于1，调制信号所产生的频偏远大于干扰造成的频偏，提高了信噪比；调幅因受波形失真限制，调频指数不能超过1，要提高信噪比只能靠提高发射功率●对光电系统，噪声和畸变（外来干扰、内部噪声和元件非线性）主要叠加在信号幅度上，造成已调波的寄生调幅，而对频率干扰很小。调频系统可以通过限幅消除寄生调幅功率利用率高(调制效率高)

第二十七页，共七十七页，2022年，8月28日●功率利用率高(能量利用率高)调幅系统大部分能量集中在不反应信号的载频上，而反应信号的边频能量较小；调频系统在mf>1时，能量主要集中在边频分量上，因此调频系统能量利用率高

第二十八页，共七十七页，2022年，8月28日2．非周期信号的频谱非周期信号作为周期信号当周期趋于无限大时的极限第二十九页，共七十七页，2022年，8月28日与周期性矩形脉冲频谱比较，非周期性的单个脉冲频谱是前者在脉宽不变、周期趋于无穷大时的情形：包络形状不变；谱线间距无限变窄，由离散形成连续谱第三十页，共七十七页，2022年，8月28日8—2调制盘调制盘的最基本作用，是把恒定的辐射通量变成周期性重复的光辐射通量。对一般的光电系统，调制盘的作用主要有如下三点：提供目标的空间方仿；进行空间滤波以抑制背景干扰；抑制噪声与干扰以提高系统的检测性能。在红外跟踪及制导系统中，调制盘主要用来提供目标的空间方位，即把目标方位转换成可用信息，从而给出误差信号驱动跟踪机构跟踪目标。此外，调制盘可用来滤除大面积背景辐射，即进行空间滤波。第三十一页，共七十七页，2022年，8月28日光点扫描式调制盘也称为圆锥扫描式调制盘。(一)工作原理1、调制盘图案及光点扫描圆的形成最外围：三角形(调制区)，用于产生调制曲线的上升段，三角形的数目根据选择的载波频率和光点扫描频率确定。内层：扇形分带棋盘格式图案，根据空间滤波的考虑设计，所以各环带上的黑白面积应尽量相等。调制盘置于光学系统的焦平面上，图案中心与光学系统主光轴重合，调制盘本身不转，目标象点相对于调制盘作圆运动。第三十二页，共七十七页，2022年，8月28日调频式调制盘一、旋转调频调制盘图案1(如图)：径向分成四个环带每个环带分成若干个黑白格子，同一环带中的格子的对应的扇形角度相等。每一环带内的扇形格子数目随径向距离而变化，由内向外每增加一个环带，黑白格子的数目增加一倍。根据载波频率判断象点位置：如A点的频率是B点频率的一半。缺点：无法判断目标的方位角，处于同一环带内的象点无法区分。第三十三页，共七十七页，2022年，8月28日调相式调制盘图案：如图，由大、小两圆组成，小圆半径为R。以R为半径的圆分两区目标调制区半透区外圆环也有同样的两区，但相位与内圆相反。第三十四页，共七十七页，2022年，8月28日脉冲调宽式调制盘图案：如图2_46黑色为不透辐射区。白色为透辐射区。误差信号的产生：目标象点偏离量ρ变化周期T不变，但脉宽τ变化。ρ增大，τ增大特点：脉宽τ反映ρ的变化。无法确定方位角的变化。一般不单独使用。第三十五页，共七十七页，2022年，8月28日调制盘的空间滤波作用以“日出”式调制盘为例说明空间滤波原理辐射状扇形条，透光/不透光交替；下半圆半透光；置于光学系统焦平面，调制盘中心与光轴重合；调制盘绕光轴转动；后有场镜把光汇聚到探测器。第三十六页，共七十七页，2022年，8月28日调制盘的空间滤波作用以“日出”式调制盘为例说明空间滤波原理目标总是存在于背景（大气、云层或地物）中，背景辐射与目标同时进入系统。差异是背景与目标相对系统张角不同，结空间分布不同，调制后可以抑制背景，突出目标。第三十七页，共七十七页，2022年，8月28日调制盘的空间滤波作用以“日出”式调制盘为例说明空间滤波原理小张角目标在入射到调制盘是很小点像调制盘转动后目标点像交替通过状扇形条，产生一系列脉冲串---矩形调幅波载波基频ω0由调制盘转速和扇形条对数（一个周期）决定；信号频率只由转速决定，即主要特征是每隔T时间对载波调制一次第三十八页，共七十七页，2022年，8月28日调幅波频谱调制盘透过函数的频谱为：载频ω0、3ω0、5ω0两侧对称分布着调制信号的频谱Ω0、3Ω0、5Ω0第三十九页，共七十七页，2022年，8月28日调制盘透过函数、通量函数及它们的空间频谱●空间滤波坐标第四十页，共七十七页，2022年，8月28日调制盘透过函数、通量函数及它们的空间频谱像面坐标与调制盘坐标同在像平面上相对静止时，二者重合；当调制盘相对像点转动时，可用g相对r转动来描述第四十一页，共七十七页，2022年，8月28日已知像函数确定通过调制盘的辐射通量Φ(K)=I(K)T*(K)通量函数的空间频谱就等于像函数空间频谱乘以调制盘透过函数空间频谱共轭通量函数就等于像函数空间频谱乘以调制盘透过函数空间频谱共轭的积分第四十二页，共七十七页，2022年，8月28日通量函数的频谱取决于像函数的频谱与调制盘透过函数频谱共轭之积●小张角目标像点：物函数、像函数δ分布，像函数频谱很宽且为常数，因此通量函数频谱近似为调制盘透过函数频谱●大张角背景：在调制盘上成很大的像，充满部分甚至整个调制盘，转动调制时输出幅度值变化很小，是直流量或低频分量（少许波纹）第四十三页，共七十七页，2022年，8月28日●小张角目标像点：物函数、像函数δ分布，像函数频谱很宽且为常数，因此通量函数频谱近似为调制盘透过函数频谱●大张角背景：在调制盘上成很大的像，充满部分甚至整个调制盘，转动调制时输出幅度值变化很小，是直流信号(少许波纹)，从频域看，大背景像频谱为直流和低频分量●当小目标与大背景成像于调制盘时，探测器同时输出上述两种信号，选择合适中心频率和带宽电子滤波电路，就可以抑制背景干扰----空间滤波第四十四页，共七十七页，2022年，8月28日●改进→作径向分带---棋盘式调制盘调制盘的径向各处对大面积像点的透过率均接近50％，为此要求每个小单元格子的面积应该相等----空间滤波的等面积原则。●日出式调制盘很难完全滤除背景：因为背景边缘不规则、背景内辐射不均匀、存在辐射面积较小背景，尤其遇到背景边平行于辐射条时，会出现透/不透辐条依次切割云边。这时调制盘转动会产生相当强背景调制信号。●原因在于辐条式调制盘在平行辐条方向没有调制作用第四十五页，共七十七页，2022年，8月28日响尾蛇空——空导弹导引头中实际采用的调制盘

实物直径为6.3mm。上半圆为调制区，分成12个等分扇形区，中心扇形区的半径为1.1mm，边缘各环带分成三组，从内层环带算起。

1～4环带，每环带间距为0.2mm。5～9环带，每环带间距为0.15mm。10～14环带，每环带间距为0.1mm,(图中只画出12个环带)下半圆为半透明区。由62条宽为0.025mm(=25)，间距也为0.025mm的不透明同心半圆黑线组成的，因为目标象点线度通常讲远较0.025mm为大，所以可认为这个区域的透过系数无论对目标或对背景都是50％。第四十六页，共七十七页，2022年，8月28日三、用调制盘确定目标方位在跟踪及制导系统中，调制盘主要用来测量目标方位，即把目标方位转换成可用信号，从而给出误差信号驱动跟踪机构跟综目标，此外就是滤除大面积背景辐射，即空间滤波。第四十七页，共七十七页，2022年，8月28日分析问题时，为方便起见，常常引入调制深度m的概念，它定义为第四十八页，共七十七页，2022年，8月28日假设像点为一个几何点，这时所得载波为矩形调幅脉冲。当目标像点处于调制盘上的不同方位时，所得调制波包络的初相角不同，因此可以用包络的初相角来反映目标的方位。调制信号的包络相位与目标方位角关系第四十九页，共七十七页，2022年，8月28日红外跟踪系统中的位标器第五十页，共七十七页，2022年，8月28日红外跟踪系统中的位标器第五十一页，共七十七页，2022年，8月28日第五十二页，共七十七页，2022年，8月28日调制盘输出调制盘透过率R()扇形半周是周期为π/q的方波；另半周透过率均为1/2总透过率是周期为2π的振幅调制方波第五十三页，共七十七页，2022年，8月28日调制盘输出周期R1()为直流，被电路滤掉R2()是矩形调幅波，由多项谐波组成其中Ω0=2π/T,ω0=2π/(T/2q)第五十四页，共七十七页，2022年，8月28日调制盘输出频谱R2()是矩形调幅波，由多项谐波组成其中Ω0=2π/T,ω0=2π/(T/2q)第五十五页，共七十七页，2022年，8月28日调制盘输出频谱位标器要定出目标像点方位不需要全部谐波，只需要调幅波的一次谐波足已：后继电路把其余高次谐波滤掉，即选频放大器只选取n=1,m=1所对应的一次谐波分量，其它全部抑制第五十六页，共七十七页，2022年，8月28日光敏电阻和放大器输出位标器光敏电阻后输出为→放大器输出为→第五十七页，共七十七页，2022年，8月28日不同方位检波器输出位标器光敏电阻后输出为→检波器输出为→目标像点分别位于a,b,c,d不同方位时，输出信号反应了方位的差别：四个正弦调幅波的包络，即检波器后输出的四个正弦信号相位相差90度第五十八页，共七十七页，2022年，8月28日基准信号提供参考方位转动镜筒上装有永久磁铁，不动的框架上装有两对线圈，镜筒进而磁铁转动时，磁力线切割基准线圈，产生基准电压，为绝对方位测量提供参考基准第五十九页，共七十七页，2022年，8月28日目标偏离量ρ与失调角Δq像点在不同径向位置，调制盘输出信号幅值不同，如下图第六十页，共七十七页，2022年，8月28日目标全信息：

偏离量ρ(失调角Δq)、方位角Θ像点在不同径向位置，调制盘输出信号幅值不同；像点在不同方位置，调制盘输出信号相位不同第六十一页，共七十七页，2022年，8月28日声光效应与光衍射8-4声光调制●介质受外力作用时，折射率会发生变化，弹光效应。声波是一种机械应力弹性波，作用于介质时引起弹光效应,称为声光效应。●当超声波在介质中传播时，介质密度呈疏密的交替变化，导致折射率交替变化。介质等效为一声光栅。

●光栅的条纹间隔等于超声波的波长（与光栅相似）；当人射光束通过该介质时，则入射光波被声光栅衍射。衍射光束的强度、频率和方向等都随着超声场而变化。声波通过声光栅实现对光束、光强和传播方向控制。第六十二页，共七十七页，2022年，8月28日第六十三页，共七十七页，2022年，8月28日C折射率的折射率上边的周期性变化，形成的光栅及衍射第六十四页，共七十七页，2022年，8月28日声行波和声驻波比较●声行波形成的声光栅的栅面在空间是运动的，运动速度等于Vs，而声驻波形成的声光栅在空间是固定不动的；●声行波光栅在声波作用于声光介质期间始终存在．而声驻波光栅，每隔半个周期(T／2)，便会出现一次∆n=0的情况，即声光栅本身做“有”、“无”交替变化，实现对光束的调制；●调制频率，即声光栅“有”、“无”的频率为超声波频率的两倍（由周期减半T／2所致）。光在介质中被弹性波衍射时，按照超声波频率的高低以及声作用区长度，可分为拉曼-奈斯(Raman—Nath)型衍射和布拉格(Bragg)衍射。引入参数第六十五页，共七十七页，2022年，8月28日1．拉曼—奈斯衍射

Q<1,且垂直入射：↑拉曼-奈斯多级衍射，对称Q>1,且斜入射：→布拉格两级衍射，不对称2．布拉格衍射

第六十六页，共七十七页，2022年，8月28日2．布拉格衍射第六十七页，共七十七页，2022年，8月28日二、声光调制器声光介质；电声换能器及其驱动电源；吸声或反射装置衍射1级或0级作为输出，其它光阑挡去拉曼奈斯型：正入射；布拉格型：斜入射第六十八页，共七十七页，2022年，8月28日8—5电光调制电光调制利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应。●晶体必须按相对于光轴的一些特殊方向切割成长方形或圆柱形等形状。●当电场加在晶体上时，其折