第五章光电检测系统

Ch5光电检测系统光电检测技术吕勇lvyong222@163.com光电检测系统相关概念直接（非相干）探测基本原理相干探测的基本原理光调制/解调光电信号变换在光电系统中，通常要借助于几何光学、物理光学和光电子学的方法对信号进行变换，包括将一种光量转换为另一种光量，将非光量转换为光量或将连续光量转换为脉冲光量等。变换的目的：①将待测信息载荷到光载波上进而形成光电信号；②改善系统的时间或空间分辨力和动态品质，提高传输效率和检测精度；③改善系统的检测信噪比，提高工作可靠性。光电信号的变换方法变换方法光学原理应用几何光学法透射、反射、折射、散射、遮光光学成像等非相干光学现象光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长测角、测距等。物理光学法干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍频、偏振等相干光学现象。莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差干涉、外差通讯、光谱分析、多普勒测速等。光电子学法电光效应，声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示等光电信号的变换方法与应用几何光学变换法是利用几何光学意义上的光传播的直线性、通光、遮光、反射、折射、成像等光学方法进行变换，在光开关、光扫描、光学编码以及光电瞄准、测距、几何尺寸及外观品质检验等技术中应用十分广泛；物理光学变换法是利用光的干涉、衍射、散斑、全息、光谱等光学方法进行干涉计量、光谱分析、散斑全息测量等；光电子学法是利用光控器件及光导纤维光学等方法实现光调制、光记录、光存储、光传输等。光电系统的类型主动和被动光电系统

(携带信息的光源）可见、红外、紫外光电系统（光谱范围）点探测系统和面探测系统

(接收系统)模拟和数字系统

(调制方式和信号处理电路的类型)直接探测系统和相干探测系统(光波对信息的携带方式)

光电系统的指标信号的输出信噪比SNRp模拟系统——线性度数字系统——误码率作用距离视场信号传输率，响应速度，带宽分辨率被动光电系统和主动光电系统光源、光电变换系统和光电接收器件一起构成光电测量系统。如果信息源通过调制光源的电源电压或电流，把信息载荷到光载波上，而发射调制光，或者用光电系统的光源（人工光源）照射目标再进行光电变换，然后由光电接收系统接收，称为主动光电系统。如果光电系统所接收的信号完全来自于被测对象的自发辐射而非人工光源照明，称为被动光学系统；主动系统通过信息调制光源，或者光源发射的光受被测物体调制。被动系统光信号来自被测物体的自发辐射相干检测与非相干检测光载波所携带的被测光信息有多种，若光信息为光强，即被测量携带于光载波的强度之中，不论光源是相干光源还是非相干光源，光电器件都只直接接收光强度变化，最后用解调的方法检出被测信息为直接检测（非相干检测）；若光信息载荷于相干光源的光载波的振幅、频率或者相位变化之中，称为相干检测。非相干检测如果光源是非相干光，但用光调制的方法使被测信息载荷于调制光的幅度、频率或相位之中，然后用光电的方法从调制光的幅度、频率或相位之中检测出被测信息，则仍为非相干检测。因此，把直接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相干光调制频率、振幅或相位的方法统称为非相干检测。直接检测系统的工作原理直接检测是将待测的光信号直接入射到光电器件的光敏面上，光电器件的输出电流或电压与入射光强度有关。若入射光波的振幅为那么入射光功率为光电检测器件的输出光电流为式中K为光电灵敏度其中为产生的电荷，为入射光功率。平方律：输出光电流和输入光振幅的平方成正比光电器件的输出功率若光电器件的负载电阻为RL

，则它的输出功率为：该式表明光电检测器件输出的功率正比于入射光功率的平方。若入射光信号为强度调制光，调制信号为d(t)，那么光电检测器件输出的光电流为：式中第一项为直流电平，第二项为有用信号，即光载波的包络线。系统的基本特性系统噪声：信噪比：表征检测系统的灵敏度式中PS为输入信号光功率。检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有关。fS为信号光波，fL为本机振荡光波，这两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。经探测器变换后，输出信号中包含的差频信号，故又称相干探测。

相干探测的基本原理设入射到探测器上的信号光场为：本机振荡光场为：入射到探测器上的总光场为：式是光频差；是相位差。两束光合光时，光电探测器（平方律特性）输出电流当两束光频率相同时，Δω=0，称为单频光干涉。当Δω不等于0时，干涉条纹将以Δω的角频率随时间波动，形成光学拍频，这时称为外差干涉。光外差检测的特性可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息。转换效率高：转换增益可高达107-10８，对微弱信号的探测有利。外差检测与直接检测相比：

本振光功率，信号光功率差频信号由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到。良好的滤波性能

取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的杂散光，而在直接探测中，所有的杂散光都将被接收。信噪比损失小；检测灵敏度高例如：量子效率为１，Δf为１Hz，则外差检测的灵敏度极限为１个光子。系统对探测器性能的要求光外差检测对探测器的要求比直接检测高响应频带宽均匀性好工作温度高

调制的基本概念直接调制调制盘调制器件调制光调制信号的解调调制的基本概念将信息加载到介质载体的过程称为调制；在光电技术中常利用光波作为信息传递的载波；光调制：通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参数，使传播的光波携带信息的过程；调制的目的：对所需处理的信号或被传输的信息作某种形式的变换，使之便于处理、传输和检测。光信号调制检测的优点/作用

调制检测光信号可以减少自然光或杂散光对检测结果的影响；调制检测光信号可以消除光电探测器暗电流对检测结果的影响；调制检测光信号的方法提供了多种形式的信号处理方案，可达到最佳检测的设计。通常交流电路处理信号方便、稳定，而没有直流放大器零点漂移的问题；调制检测光信号的方法还提供了多种调制方案，如调幅、调频和调相等，从而扩大了应用范围。

举例？

光调制的分类光载波分为相干光波和非相干光波，光载波所具有的特征参量是光功率、振幅、频率、相位、脉冲时间、传播方向、偏振方向、光学介质的折射率等。1、按调制次数分类调制有一次调制和二次调制之分（将信息直接调制到光载波上被称为一次调制。而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称为二次调制。这样做看起来是比较复杂，但它对提高信噪比和测量灵敏度，对信息处理的简化都有好处；还可以改善系统的工作品质和扩大目标定位范围。）例如？2、按时空状态分类按调制位置是在光源内发生还是在光源外进行可分为内调制和外调制；光调制的分类：3、按载波波形分类按调制光波的参量可分为振幅调制、频率调制、相位调制等；4、按调制元件分类根据应用的物理效应分为电光调制、声光调制、磁光调制；5、按调制形式分类按调制的形式分模拟调制、数字调制和脉冲调制。内调制：将要传输的信号直接加载于光源，改变光源的输出特性来实现调制；其中最简单的是对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控制，实现对所发射激光的强度的调制。另一个就是把调制元件（如电光、声光晶片）放在激光器的谐振腔内，用要传输的信号控制该调制元件物理性质的变化，改变光腔参数，实现调制激光输出；外调制：在光源外的光路上放置调制器，将要传输的信号加载于调制器上，当光通过调制器时，透过光的物理性质将发生改变，实现信号的调制。

直接调制与间接调制：内调制是直接对光源进行的调制，又称为直接调制或电源调制；外调制是在激光形成以后加载调制信号，又称为间接调制。模拟调制：模拟调制是将信息强度、频率、相位或偏振等的一种形式。在任何时刻信息的幅度与载波参数之间都有一一对应的关系，它包括调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种方式。

脉冲调制：对信号的幅度按一定规律间隔取样，用脉冲序列作载波。脉冲调制和数字调制是对信息的幅度按一定规律间隔采样，而用脉冲序列作载波。在脉冲调制形式中，脉冲序列的某一参量会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(脉冲调相或脉冲时间调制PPM)等形式。

脉冲调制不仅能提高系统测量灵敏度，提高信噪比，而且能使同一个光学通道实现多路信息传输。如不同宽度的调幅脉冲波在同一根光纤中传播，在接收端设置脉宽鉴别电路，就可以把不同宽度的调幅波分离开。数字调制：对信号的幅度按一定规律间隔取样，以编码的形式转变为脉冲序列。载波脉冲在时间上的位置是固定的，在幅度上是被量化的。常采用两电平表示的二进制编码形式。直接调制LD和LED的直接调制直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得调制光信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。半导体激光器（LD）直接调制的原理如图为砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。105050100It

150200驱动电流(mA)输出功率(mW)半导体激光器的输出特性下图所示的是半导体激光器调制原理以及输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。输出功率直流偏置调制信号输出光强信号ttt(b)CL~LD调制信号直流偏置(a)半导体激光器调制(a)电原理图；(b)调制特性曲线半导体光源的模拟调制

无论是使用LD或LED作光源，都要施加偏置电流Ib，使其工作点处于LD或LED的P－I特性曲线的直线段，如图所示。其调制线性好坏与调制深度m有关：LEDUb+EcIc已调光波(a)PoutItIco(b)模拟信号驱动电路激光强度调制(a)驱动电路；(b)LED工作特性注：半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。半导体发光二极管不是阈值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那样会随注入电流的变化而发生突变，因此，LED的P－I特性曲线的线性比较好。右图示出了LED与LD的P－I特性曲线的比较。LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mA)Pout(mW)1614121086420100200300400LED与LD

的Pout-I

曲线比较半导体光源的脉冲编码数字调制

数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波进行调制。数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制，其调制特性曲线如图所示。PoutIbID

ttI(a)OPoutIO

t(b)数字调制特性

(a)加Ib后LD数字调制特性(b)LED数字调制特性数字光通信的优点

首先，因为数字光信号在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强；其次，对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分利用光源（LD）的发光功率；第三，数字光通信设备便于和脉冲编码电话终端、脉冲编码数字彩色电视终端、电子计算机终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视，又能传输计算机数据的多媒体综合通信系统。由于数字光通信的突出优点，所以其有很好应用的前景。调制盘调制调制盘结构最简单的调制盘，有时叫做斩波器，如图所示。在圆形的板上由透明和不透明相间的扇形区构成。当以圆盘中心为轴旋转时，就可以对通过它的光束M进行调制。经调制后的波形是由光束的截面形状和大小，以及调制盘图形的结构决定。调制光束的频率f由调制盘中透光扇形的个数N和调制盘的转速n决定，f＝Nn/60(Hz)。调制盘

波形调制

将入射的光辐射转变为随时间作周期变化的交变光辐射是调制盘的基本功能之一。所产生交变量的波形不仅与光辐射光束形状和分布有关，还与调制盘(这里主要是斩波器)开口大小和形状有关。1.正弦波调制的产生

在辐射测量中，为与后继电路很好地配合，提高信号的利用和信噪比，有时希望经调制后入射光辐射功率成为单一频率的正弦波，其表达式为半圆形斩波器旋转叶片斩波器新月形斩波器

方波调制的产生

产生正弦调制的原理设计比较容易，实际实施却相当困难。在工作中常从方波调制产生的信号中，用电子学的方法得到正弦波的信号分量。仍用半圆形斩波器讨论，如图(a)所示。假设目标像点比斩波器的开口小得多，使探测器输出波形的前、后沿均十分陡，则当像点进入斩波器开口期间，对应输出一个近似矩形的脉冲，如图(b)所示。可用下式表达式中K可为任意整数。可见只要像点远小于斩波器开口尺寸的情况下，都能产生近似的矩形波或方波。如采用电子滤波器滤去一次以上的谐波、只留下基波，则可得到正弦波的信号。

等效正弦调制

由于正弦调制不易实现，考虑建立一种调制装置，使它对像点光辐射调制产生周期性变化，其基波的振幅等于一个相同像点的正弦调制的振幅，再由电子系统滤去谐波．这种调制与正弦调制等效，称为等效正弦调制。实际系统中常采用扇形齿和开口的斩波器对圆形开孔光辐射进行调制。此时获得等效正弦调制的条件为：

(1)斩波器直径较之其齿或开口尺寸大很多；

(2)斩波器上二齿和开口尺寸相等；(3)要求辐射圆孔直径(2R)与斩波器开口宽度(2r）成一定比例，即R/r＝0.8；(4)电子系统的中心频率选为f=ω／2π，并有适当的带宽，式中ω是斩波器的转速；(5)斩波器与圆形像点在同一平面上。像点大小对调制波形的影响

如图所示的方齿形斩波器，假定目标像点被图中扇形光阑所限制，该扇形的曲率中心与斩波器中心重合，扇形孔对中心的张角为θa，斩波器的齿和开口等宽，一对齿口对中心的张角为θt。斩波器以角速度ω按顺时针旋转。则根据θa与θt的相互关系可以产生以下各种调制波形。通常只讨论到等腰三角波形为止。但各种波形都可按傅立叶级数进行展开，如用Crms表示基波的均方根转换因子，并引入相对几何因子θa/θt，则有第三章信号调制与调制盘θt/2＞＞θaθt/2＞θaθt/2＝θaθt/2＜θaθt

≤θa

调制波的形式与特性

1.调制波设某交流波的瞬时值a(t)由下式表示式中幅值a0，角频率ω和初相位φ可以是常量或缓慢变化的量，而Φ是时间为t时信号的相角。当a0、ω和φ均为常数时，该交流波只是一定频率的简谐波或称载波．并无其他更多的信息存在。如果载波中a0、ω和φ因带有某种信息而发生变化时，就把该交流波叫做调制波。载波中某个或几个参量随时间按照外界某物理量的规律发生变化的过程称之为调制。按照所调制参量的不同，调制可分为调幅和调角两种形式，而调角又可分为调频与调相。调制信号与载波信号相比是慢变化的时间函数，因此，载波频谱通常在高频区，调制波频率则处于相对较低的频谱区域。此外，载波的正弦波谱在谱函数频率轴上只对应一个点，但在载波的一个参量随时间变化而成为调制波时，则变成若干个不同频率的正弦信号的组合，在频域中则对应有一个频谱存在，其谱结构与调制信号及类型有关。按载波的类型不同．调制方式可分为连续调制和脉冲调制两类。

2．连续波调制用连续波(如正弦或余弦波)作载波的调制叫做连续波调制，包括调幅、调频和调相三种方式。

(1)调幅(AM)。设调制信号如图所示．其中g(t)为调制信号，载波为余弦波，频率为fc。因此调制波可表示为常将比值M＝k／a0称为调制系数，它表征调制深度．用百分数表示。于是通常假定g(t)的极大值|gmax(t)|≤1，M必须满足0<M<l的条件。否则，便会出现过调制现象，即辅加调相现象，这是所不希望的。在正常调幅情况下，载波信号的幅值随调制信号的变化而变化，A(t)＝a0+kg(t)，即载波信号的包络按被传输信号的规律变化，在提取有用信号时，采用包络解调法即可解出。

调制的情况如图所示，图(b)为调幅波的频谱。可见在调幅过程中并不产生新的频谱，而只把调制信号的频谱从原点附近移到载波谱线附近。在调幅波中，载波不能传送有用信号，只有边频才能传送。在100％调制的条件下，调制波总功率中只有l/3被用来传送有用信号，能量利用率较低，这是调幅的主要缺点之一。在大信噪比输入调幅的情况下，调幅系统的输出噪声平均功率等于输入噪声平均功率，输出功率信噪比将比输入功率信噪比高一倍，所以调幅系统具有电压信噪比3dB的增益。在小信噪比输入情况下，当输入信噪比在某一临界值以下时，有用信号将消失在噪声中，检测效能急剧变坏，这种现象叫做门限效应。该效应限制了系统对微弱信号的探测能力。

(2)调角。载波信号的相角按调制信号规律变化的调制叫做调角。调角波可表示为调角有两种情况，一为调相(PM)，一为调频(FM)。

调相时，载波相位在变化，即则调相波的瞬时频率fi为可见，调相时调制波的相位在变化，它的频率也在变化。

调频时，载波瞬时频率在变化，即而故则可见，调频时不仅载波的频率变化，其位相也变化。由上可见，两种调角方式时的频率和相位都发生变化，频率与相位的变化有着密切的关系。调频与调相虽然调制方式不同，实质上却有共同之处。调频波的基本特征是载波信号幅度保持不变，信号频率随调制信号的大小而变化，也就是说所传送的信息反映在高频载波的频率变化上。不论什么形式的调制信号，都可视为各种不同频率正弦波的叠加。

3.脉冲调制

用脉冲串作载波的调制叫做脉冲调制。也就是用低频调制信号去调制脉冲串，使它的某些参量随低频调制信号的变化而变化。脉冲调制的类型如图所示，主要有脉冲调幅、脉冲调宽、脉冲调位(脉冲调相或脉冲时间调制)等形式。将周期性重复的脉冲幅度按调制信号规律来变化的过程叫脉冲调幅(PAM)。如此形成的调制脉冲串叫做脉冲调制波。脉冲串载波的表示式为调制信号载波脉冲串脉冲调幅脉冲调宽脉冲调位

则脉冲调制波对应频谱为

可见脉冲调幅频谱除载波及其上、下边频外，还有载波的各次谐波以及这些谐波的上、下边频组成。由于脉冲调幅波的频谱包含有调制频率的分量，因此解调时只需将脉冲调幅波通过一个通带为(0，F)的低通滤波器，即可将原信息还原。为消除解调信号的非线性失真，所选脉冲重复频率必须大于调制频率的二倍，即fp=l/T>2F。脉冲调幅波及其频谱如图所示。有关参量及其关系在图中明确可见。

脉冲调制波的解调对信号和噪声的作用是相同的，所以这种检测系统的信噪比增益为零分贝。由于传输带宽为F，只有连续波调幅带宽(2F)的一半，所以输入信噪比是连续调幅系统的两倍，而这两种系统的输出信噪比却相同。

脉冲调宽波形如下左图所示。其频谱与脉冲调幅频谱大致相似，只是组合频率更加复杂。频谱中包含有直流分量、调制频率分量、载波及其高次谐波分量。解调时可通过低频滤波器，直接分离出低频调制信号。

脉冲调位(PPM)是用脉冲串载波的脉冲位置参量来传输信息。脉冲调位波形如下右图所示。以A为基准脉冲，脉冲B与A相隔时间T0，如按某一规律改变T的大小，则脉冲B对A来讲是位置被调制的脉冲。一般将A称之为参考脉冲，B称之为可移脉冲。

综上，无论是在大信噪比还是小信噪比的情况下，调频系统的信噪比都高于调幅系统。在大信噪比输入时，采用宽带调频的信噪比增益更高。调频系统的能量利用率也高于调幅系统，说明调频系统的抗干扰能力，或称检测弱信号的能力优于调幅系统。但调幅波的信号处理系统要比调频系统简单、可靠。脉冲调宽和调位的抗干扰能力优于脉冲调幅，但脉冲调位的解调方法要复杂得多。脉冲调幅与连续波调幅相比，信噪比增益低于后者。在设计调制系统时，应按使用要求和各种调制信号的特点来选择系统调制信号的形式。

调制盘的工作原理及结构目标偏移量的表示在跟踪和瞄准系统中，利用调制获得的误差信号反映了待测目标的偏移量(或位置)的信息。因此首先必须明确偏移量的表示方法。下图所示为光学瞄准系统中物像间关系。当目标距系统的距离远大于物镜焦距时，目标像将成在物镜的焦平面上。从像面上看，目标离轴的偏离量可用极坐标的ρ和θ来表示。也可以用Δq和θ来表示。其反映了目标偏离光轴量的大小和方位。

调制盘的作用将静止目标像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进行空间滤波，抑制背景噪声提供目标的方位空间

调幅式调制的实现1、日升式调制盘为说明调制盘如何将目标像点的位置转化成可用信息，以及如何进行空问滤渡，首先讨论其基本工作原理。日升式调制盘如图所示。上半圆为目标调制区，由透与不透辐射的扇形条相间组成，下半圆制成半透明区。对目标进行调制时．应将调制盘放在物镜焦面(像面)上，并使调制盘中心o与光轴重合。由图可知透过通量φ的大小表征了目标失调角△q的大小。当调制盘按顺时针旋转时，所产生调制信号的幅度a0将对应透过通量，也就反映了失调角的大小，或者说目标偏离量的大小。

该调制盘在设计时的一个明显特点是有明显的分界线ox，可以用ox轴作为起始方位的零线，从而获得所需要的方位信息。相对零线的目标方位角θ可在所获得的调制波中找出。所用调制盘及其产生的波形如图所示。实线为调制波的实际信号波形，虚线是调制波的包络，上部点划线表示基准信号。调制包络与基准信号间的相位角，即初相角就是目标偏离ox轴的方位角θ。当目标点落在调制盘的A点和B点上时，对应的方位角分别为θA和θB。这样通过日升式调制盘旋转对目标像点光束的调制，获得了失调角△q和方位角θ的信息，从面得到目标的位置。通过光电转换、电路处理就可获得误差信号，即修正系统的信号。

2、棋盘格式调幅调制盘

由于采用调制盘的光电系统要保证一定的视场，就不可避免地引入背景辐射干扰，如地物、云层的辐射和太阳光反射等。所采用的调制盘应能尽可能多地抑制这些背景干扰，以提高探测的信噪比。上述背景的特点通常具有较目标大得多的辐射面积，因此在上述调制盘上所成的像会复盖若干个扇形条，如图所示的像点B。如果像点总能量为F0。则此时透过的能量接近F0/2，在下半圆内透过率仍然为F0/2，这样大面积的辐射不会形成有用信号的输出，从而抑制了大面积背景的干扰，这就是调制盘的空间滤波原理。但当背景的辐射面积较小且又成像于调制盘边缘时，仍会产生调制信号，如下左图右半部所示。为提高抗干扰能力．可将边缘部分再行径向分格，以减小透辐射与不透辐射区的面积，边缘形成了棋盘格，如图中左上半部分所示。为进一步消除背景干扰采用了等面积的径向分格原则。实用的棋盘格式调制盘如下右图所示。与日升式调制盘相比除采用了棋盘格外，为使制作工艺简便，半透区采用由宽度和间距相等的不透辐射同心半圆线组成，且要求线宽度比目标像点的线度窄得多。实用棋盘格调幅式调制盘调频型调制的实现它由四个同心环带组成，各环带所分的格子数不同，由内向外每增一个环带其格子数增加一倍，只要目标像偏离该调制盘的中心，盘转动时就将产生调制信号。从调制信号的频率不同就可得知目标像所处调制盘上的位置，就可获得偏离量的大小。上图的调制盘不能反映目标所在的方位信息。为此设计了另一种调频式调制盘，如图所示。它有这样的特点，从中心向外每个环带所分格子数成倍增加，而在每个环带中透光格子的密度不均匀，其规律是按正弦关系分配。调制盘按顺时针方向旋转时，对应目标所处环带不同将输出不同频率的信号，各环带在每一周期中产生的脉冲信号的脉宽分布又是按正弦变化，如图所示。则有式中，F(t)为所获调制波函数；F0为目标像点通量对应的幅值；ω为对应目标像所在环带，当格子按均匀分布时的载波角频率；M为目标像所在环带的调制系数；Ω调制盘的旋转频率；θ0为目标像点的方位角。脉冲信号调相型调制的实现下图所示是一种可用于实现调相的调制盘。它将圆盘分为两个区域，每个区域中都采用日升式调制图案，两区相位相差π。当目标像落在内圈、外圈及两区边界上时，将产生如图所示的调制波形，通过鉴相电路就可解调出目标的偏离信号，但不能反映偏离的方位角。调相式调制盘

调制波形

器件调制电光效应

当晶体受电压作用时，晶体的折射率会发生变化，引起通过晶体的光波特性发生变化，称晶体的电光效应。当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电光效应，即泡克耳斯效应。当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为非线性电光效应，即克尔效应。电光调制器主要利用晶体的泡克耳斯效应。横向调制和纵向调制不给克尔盒加电压时，克尔盒中的介质是透明的，对P、Q两个偏振片没有影响；当对克尔盒外加电压时，介质的光轴平行于电场。此时通过它的平面偏振光将使Q有光输出，其输出光强的大小与盒内介质的性质、几何尺寸、外加电压有关，从而形成光调制。有克尔效应的克尔盒有泡克尔斯效应的泡克尔斯盒（纵调）电光调相

外加电场不改变传输光的偏振态，而只改变光的相位。相位调制因子与所加电压成正比。声光效应

超声波是纵向波，它在声光介质中传输时会引起介质密度发生疏密交替的变化，使介质的折射率发生相应变化。光波通过此介质时，光的强度、频率等均会随超声场变化，此称为声光效应。受超声波作用的晶体相当于一个衍射光栅，光栅的条纹间隔等于声波波长。声光调制器

主要组成：声光介质、电声换能器、驱动电源、吸声（或反射）装置、耦合介质。

工作原理：调制电信号通过换能器转换为超声波，使声光介质的折射率产生随时间交替，光通过它时，声致光衍射使出射光具有随时间周期变化的光程差，即调制光波。喇曼-奈斯型声光调制器调制器的工作原理如图所示，多级衍射，对称分布，适合振幅较大的低频弹性波。工作声源频率低于10MHz。只限于低频工作，带宽较小。入射光

衍射光

调制信号喇曼-奈斯型声光调制器衍射光调制信号入射光声光调制器布喇格型布喇格型声光调制器布喇格型声光调制器工作原理如图所示。光强集中于第零级或一级上，衍射光强分布不均匀，适于振幅较小的高频弹性波。效率高，调制带宽宽。磁光效应：在磁场作用下，光波的偏振方向发生偏转的现象。

磁光调制：平行于光波传播的磁场H，光波电场的偏振方向旋转角度与H及材料长度成正比。磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转：式中V为费尔德系数，H为沿光束传播方向的磁场强度，L为光在介质中的传播长度。磁光调制是旋光现象测量的主要手段，在现代光通信中也常用其作为光隔离器使用。调制信号的解调从已调制信号中分离提取出有用信息的过程称作解调或检波，实现解调作用的装置是解调器。解调或检波是信号调制的相反过程。在时域分析中，调制是将有用信息及其时间变化载荷到载波的特征参量之上，而解调则是从这些调制了的特征参量上再现出有用信息。从频域分析的角度，调制是将信号的频谱向以载波频率为中心频率的高频方向变换，而解调则是将变换了的频谱分布复原或反变换为初始的信号频谱分布。

不同的调制信号有不同的解调方法。直线律检波和调幅信号的解调解调是信号变换的非线性过程，需要利用非线性元件来实现。光载波的调幅信号通过光电变换后的隔直处理，通常具有包络线对称的双极性性质。为得到单边包络线，再现调制信号，最适合于采用具有单向导电特性的二极管检波器。图a是检波二极管的伏安特性和基本电路。这是一种典型的单向导电特性。对于正极性信号幅度较大（1V或更大）的情况，伏安特性可看作是通过原点的理想直线，其输出信号和输入信号成正比。工作于大幅度信号输入状态下的检波称作直线律检波。单向导电特性可表示为

U0＝KDUi

Ui＞0

0

Ui≤0式中，U0、Ui表示输出和输入信号，KD为比例因子。

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形式Ui＝(1＋msinΩt)sinωt代入U0式，并做傅里叶级数展开，得由式可见，输出信号中除{}括号中的第二项是低频信号，是希望提取的调制信号之外，其余各项都是高频项，并且高频幅值逐次衰减。频谱图如图b所示。当Ω<<ω时，利用低通滤波器滤除高频分量即可得到有用的信号波形为

Uo＝KD(2/π)(1＋msinΩt)

检波器的输出信号和输入信号的包络线成正比例，实现了调幅波的解调。相敏检波和调相信号的解调相敏检波的两种工作特性a)鉴相整流

b)极性检波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。这种信号的解调采用相敏检波，这时检波器的输出电压应能反映出调制相位的变化。解调器的输出特性如图a所示。在有些测量场合，常常不仅要求检测变量变化的大小而且希望确定变化的方向或极性。对这种有极性变量的调制，通常可用载波的幅度大小表示变量的数值而用载波信号和参考信号的相位差是同相或反相表示变量的极性，这称作极性检波。显然处理这种调幅信号也需要有对极性敏感的解调方法。这种解调器的输出特性具有图b的形式。上述两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鉴相解调。相敏检波器乘积检波原理框图示于上图，它由解调器和低通滤波器串联而成。这里，解调器被看成是已调制信号Ui和参考信号UL间的模拟乘法器，所以称作乘积检波。

设载波受单一频率余弦波调幅。调幅信号Ui为相敏检波器的工作原理如图所示。它是由模拟乘法器和低通滤波器