光电技术 第5版 课件 第7章7.3节 几何光学方法的光电信息变换

7.4.2衍射方法的光电信息变换1、夫琅和费单缝衍射如图7-43所示，单色平行激光垂直入射到宽度为b的狭缝AB上，经透镜后，在焦平面处衍射图样。图中AC垂直BC，若衍射角为的平行光束经透镜聚焦在P点，光线从狭缝A、B两边到达P点的光程差为

P点的亮暗由BC值决定，用式（7.4-21）表示（7.4-21）式中，±号表示亮暗条纹条纹分列两侧；k为级数。b变小，衍射条纹将向两边扩展，条纹间距增大。激光衍射图样明亮清晰，衍射级次很高。屏幕离狭缝距离L远大于狭缝宽度b，去掉透镜仍可在屏幕上得到夫琅和费衍射图样。由于角很小。可得

（7.4-21）图7-44所示为L＝1m处，不同宽度b形成的衍射图样。可见b的微小变化将引起条纹位置和间隔明显变化。可用目测或光电方法测量出条纹间距，求得b值或变化量。测量微小间隔、位移或振动等。测量精度可达0.01～0.5mm。

2夫琅和费细丝衍射

如图7-45所示，激光器发出的激光束照射细丝（被测物）时，在屏幕上形成夫琅和费衍射图样。通过测量两暗点或亮点间隔S，便可得到细丝直径dd随条纹位置和间距之变化。

若屏幕处安装线阵CCD传感器件，便可直接读出亮、暗条纹的间距，即测出细丝直径。测量范围约为0.01～0.1mm，分辨力为0.05mm，测量精度一般为0.1mm，也可高达0.05mm。

3.应用举例

利用激光衍射传感器可测量微小间隔（如薄膜材料表面涂层厚度），微小直径（如漆包线，棒料直径变化量），薄带宽度（如钟表游丝），狭缝宽度，微孔孔径，微小位移以及能转换成位移的物理量如重量、温度、振动、加速度、压力等。

例：激光衍射振幅测量仪如图7-47所示为激光衍射测量振动幅度的原理。激光入射到基准棱与被测物组成的狭缝，在p处产生衍射图样。

被测物作简谐振动时，振动方程为xk=XMsinωt，则狭缝宽度变为b=XMsinωt，

xk为定值，的变化使光电器件所接收的光强随之变化。若满足条件，便可以直接测出物体振动的幅度。

7.5时变光电信息的调制7.5.1调制的基本原理与类型1.载波与调制

人为地使载有信息的低频光变换成高频信号波的过程称为调制。载有信息的高频波被称为载波信号。通常利用单色且有确定初位相的相干光作为光载波。可以通过振幅、频率、相位、偏振和传播方向等参数载荷信息。通过载波会使传输信息的能力大为增强，使信息的安全性、可靠性得到提高，也为光电信息处理技术得到广泛发展。使高频率光波载有各种信息的装置称为调制器。从已调制信号中分离并提取出有用信息，即恢复原始信息的过程称为解调。2.光电信息调制的分类光学调制按时空状态和载波性质可分为以下几种类型。（1）按时空状态分类①时间调制：载波随时间和信息变化。②空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。③时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。

（2）按载波波形和调制方式分类①直流载波：不随时间而只随信息变化的调制；②交变载波：载波随时间周期变化的调制。交变载波又分为连续载波与脉冲载波方式。连续载波调制方式包括调幅波、调频波、调相波。脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频等内容。3.典型的调制方法(1)连续波调制连续波调制的光载波通常具有谐波的形式，用下列函数描述式中，φ0为光通量直流分量，一般不载荷任何信息；φm和ω为载波交变分量的振幅和频率。

光载波不能是负值，载波的交变分量总是叠加在直流分量之上，被测信息可对交流分量的振幅、频率或者初相位等进行调制，使之随信息变化。一般情况，调制后的载波形式为

式中，V（t）调制函数，根据调制参量的不同可以分为：

振幅调制（AM）：调制参量为φm[V(t)]；频率调制（FM）：调制参量为；相位调制（PM）：调制参量为载波的初始相位。

（7.5-1）①

振幅调制

光载波信号的幅度瞬时值随调制信息成比例变化，而频率、相位保持不变的调制方法称幅度调制或调幅。此时，

式中，V（t）是调制函数，规定；m是调制度或调制深度，表示V（t）对载波幅度的调制能力，且

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频谱分布。

（7.5-3）图7-48所示调幅波及其频谱情况。

图7-48（a）为按单一谐波规律变化的信息，V(t)=sin(Ωt+Φ)，式中，Ω=2πf

为谐波角频率；F、φ为相应的频率和初相位。图7-48（b）所示为正弦载波。当被传送信息V(t)=sin(Ωt+Φ)初始相位φ=0时，被调制的载波信号为

相应的波形图如图7-48(c)所示。

将式(7.5-4)用三角公式展开，得到调幅波的频谱

相应的频谱如图7-48(d)所示。可见，正弦调制函数调幅信号除零频率分量外还包含有三个谐波分量，即以f0为中心频率的基频和基波振幅之半、频率分别为（f0+F0）、（f0-F0）的两个分量。（7.5-4）对于频谱分布在F0

△F（Ω=2πF0）范围内的任意函数V(t)，所对应的调幅波频谱是由以载波频率f0为中心的一系列边频组成，分别为f0

F1；f0

F2；…；f0

ΔF。频谱图如图7-48(e)所示。若调制信号具有连续的带宽Fmax，则调幅波的频带是f0

Fmax，带宽为Bm=2Fmax，其中Fmax是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。若载波频率为f0=10kHz，调制信号频率为F0＝500Hz，则调幅后的载波频谱分布在fL＝（10－0.5）kHz＝9.5kHz和fH＝（10＋0.5）kHz＝10.5kHz之间，也就是调幅波的带宽为Bm=1kHz。检测通道的带宽满足Bm的要求，对带宽外的信号进行有选择地滤波，以便减少噪声和干扰，有利于提高信噪比。

②

频率调制指载波的频率按调制信号幅度改变，使调制后的调频波频率偏离原有的载波频率，而偏离值与调制信号幅度瞬时值成正比，简称为调频。调制项为

式中,V（t）为调制函数，规定；Δf=Δω/2π

是载波频率相对于中心频率f0的最大频率偏差，简称频偏。

此时，载波频率变化最大，为ω0±Δω

。整理得若用余弦函数调制，即式中,

Ω=2πF

为调制角频率。式（7.5-7）可写成

（7.5-7）（7.5-8）式中

mf

=Δω/Ω

=Δf/F

为频率调制指数。Δf为偏频，F为调制频率。mf

表示单位调制频率产生的频偏量。mf在设计时确定。

当mf﹥1称为宽带调频，mf﹤1为窄带调频。调频信号的波形及调频如图7-49所示。将式（7.5-8）展开窄带调频情况下，又可写成频谱的基波频率为ω0，组合频率为ω0+Ω和ω0－Ω。

一般，调制信号比较复杂，频谱以载波频率为中心的带宽域，因mf

而异。窄带调频带宽Bf=2F，宽带调频带宽为Bf=2(Δf+F)=2(mf

+1)F例如，对光通量调频，若F=300Hz，则

mf=40， Bf=24.6kHzmf=4， Bf=3kHzmf=0.4， Bf=0.86kHz不但可对交变光通量进行，还可对光频振荡进行调频。例如对激光器进行调频，得到中心载波频率为f0=5×1014Hz、调制频率Δfmax=44MHz的频率调制，相对频偏为9×10-8。

③

相位调制相位调制为载波的相位角随着调制信号而变化的调制。调频和调相两种调制波最终都表现为总相角的变化。相位调制的相位角φ随调制信号的变化，调相波的总相位角为

则调相波可写为

式中kφ为相位比例系数，φc为相位角。

(2)脉冲调制上述调制方式得到的调制波都是连续振荡波称为模拟调制。目前，广泛地采用不连续状态下进行的脉冲调制和数字式调制（编码调制）。如将直流信号用间歇通断的方法进行调制，可获得脉冲波。若使载波脉冲的幅度、相位、频率、脉宽及其它的组合按调制信号改变就会得到不同的脉冲调制。脉冲调制有脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉冲频率调制等。图7-50所示为各种类型的脉冲调制方式的波形图。(3)编码调制把模拟信号先变成脉冲序列，再变成二进制编码，然后对载波进行强度调制。编码调制包含三个过程，即，采样、量化和编码。采样：将连续信号分割成不连续脉冲波，用脉冲序列表示，要求采样频率高于信号频率的2倍，确保信号还原。量化：把采样后的调幅脉冲进行分级、取“整”处理，用有限个数代表采样值的大小。

编码：把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。这种调制方式具有很强的抗干扰能力，广泛应用于数字通信。

(4)其它参量调制能够表征光波几何或物理特性的参量除光强、频率和相位外还有许多其他的参量，如光传输中偏振面的方向和传播方向等，这些参量也能作为调制的对象，用来传送有用的信息。

如光波在旋光性物质中传播时，偏振面的转动可以用来取得有关该物质性质的信息。如糖溶液或松节油可使通过溶液偏振光的偏振面转角Δφ，它不仅与通过溶液的路程l有关，而且还正比于溶液的浓度c，

（7.5-13）式中，a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溶液的浓度和物质的性质。如图7-51所示，周期性地改变起偏器偏振角的位置，使入射光辐射的电场强度矢量E相对平均位置周期性变化，单位时间内E的变化次数为调制频率，最大偏转角为φmax。7.5.2信号的调制调制器是用来实现单色或复合光波调制的装置，包括机电调制器，电光调制器，幅射源调制器和电子调制器等。7.5.3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解调，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。

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直线律检波和相位调制波的解调器—相敏检波。

1．直线律检波(1)二极管的检波特性利用具有良好单向导电特性的二极管构成的如图7-57所示的检波电路可以实现调幅波的解调。检波电路由检波二极管D、负载电阻R和滤波电容C构成。

当调幅波Uin送到检波电路输入端时，经二极管检波输出如图7-58(b)的半波整流信号。即半波整流的输出电压为

(2)调幅信号的解调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光载波信号经光电变换及隔直处理后具有下列形式

式中m为调制度；Ω为调制频率；ω为载波频率。用傅里叶级数展开，得

除去高次谐波后

，得到调幅信号。2．相敏检波(1)相敏检波和同步解调对于相位调制的载波信号，应该用对相位敏感的检波器输出电压来反映相位的变化。相应解调器特性如图7-59所示。另外，有些调幅信号，不仅要求检测变量变化的大小，还要确定变化的方向或极性。对有极性变量的调制，通常可用载波的幅度大小表示变量的数值而用载波的相位表示变量的极性。为处理这种调幅信号也需要有对相位敏感的解调方法。既能检测出信号的幅度，也能确定载波相位的解调称作相敏检波或同步鉴相，基本原理是乘积检波。(2)相敏检波器的基本原理

如图7-60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。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有检波功能，因此又称为乘积检波器。

设载波受单一频率谐波调幅，其调幅信号为，用做相位比较的参考信号为

，式中，两信号间的相位差φ可以作为变量。简单起见，设。解调器的输出信号Uo为调幅信号U与参考Uc乘积，即表明，乘法器输出信号包括、和三项，具有如图7-60(b)所示的频谱分布。由频谱分布图可见，输出的低频（ω=Ω）信号幅度最高，为。而高频与信号幅度较低，为。

当ω>>Ω时，用低通滤波器可以滤除上式中的高频项，使得相敏检波器的最终输出为

（7.5-20）式(7.5-20)表明相敏检波器能够消除高次谐波的影响，使输出信号幅度与载波信号的幅度成正比。因此能够解调或再现出调幅信号；

相敏