声光移频器在相干系统-Read知识讲解
傅里叶望远术的实验室验证系统
傅 里 叶 望远 术 的实验 室验 证 系统
董洪舟 ，吴 健 ，刘 艺 ，张 炎
（电子科技大学 光 电信息学院 ，成都 ６ ０ ５ １ ０４）
摘要 ：本文介绍 了傅里叶望远术成像 的基 本原 理，为验证傅里叶望远术成像原理 ，在 实验室 中 建 了四光束的傅 搭
里叶望远术验证成像 系统 ，对灰度透射 式 目标进行 成像验证 ，利用 Ｌ ｂ Ｉ Ｗ 软件 完成 了实验 中相关控制软件 、 ａＶ Ｅ 检测软件和信号处理软件程序设 计。通过形成不 同空间频率 的干 涉条 纹提取 目标 的频谱值 ，利用相位 闭合技 术，
ｓｘ ＝ｑ （ ，） （ ， （， ） ｏｘＹ ｆ ｘ ） （） １
其中：ｏｘＹ 是 目标强度反射率函数 ，ｆ ｘＹ 是直线条纹强度函数 ，７是与 目 （，） （，） ７ 标散射有关的系数。将式（） １
变换 ｘ ） （ ｆ ） ， ｆ Ｆ ｆ， Ｏ ｘ
作走在前列， ２０ 年 已经进行 了外场实验， 于 ０５ 在几百米的水平路径上进行的原理验证 ， 得到了较好的成像 结果 ，目标外形基本可以分辨ｌ，另外国内长春光机所也完成 了实验室验证 ，正在进行外场实验 ，国防 ｏ Ｊ
收 稿 日期 ：２ １ ６ １； 收到 修改 稿 日期 ：２ １一 ９０ ０ 卜０— １ ０ ｉ０— ５
０ 引 言
随着航空航天技术的 日 益发展 ， 间目 空 标的高分辨率成像技术成为一个重要研究方向¨ Ｊ 其中傅里叶 ，
望远 术是 一种具 有较 大 发展潜 力 的成像技 术 。它 的成像 原理是 利用 直线 干涉 条纹场 扫描 目标 来获 取携 带 目
标 频 谱信 息的 回波信 号 ，并通 过相 位 闭合技 术消除 光束 初始 相位和 大 气湍流 带来 的相位 畸变 ，最 终还原 出
初三物理中的声光电知识解析
初三物理中的声光电知识解析一、声学基础知识1.声音的产生：物体振动产生声音，振动停止，声音停止。
2.声音的传播：声音需要介质传播，固体、液体、气体都可以传声，真空不能传声。
3.声音的特性：包括音调、响度和音色。
音调与频率有关，响度与振幅和距离有关，音色与材料和结构有关。
4.声速：声速与介质种类和温度有关。
在15℃的空气中，声速约为340m/s。
二、光学基础知识1.光的传播：光在同种、均匀、透明介质中沿直线传播。
2.光的反射：光在传播过程中遇到障碍物，会被反射回来。
反射分为镜面反射和漫反射。
3.光的折射：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向会发生偏折。
折射与入射角和折射角有关。
4.光的色散：太阳光通过三棱镜分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色，称为光的色散。
5.视觉的形成：光线经过眼球各部位的折射作用，在视网膜上形成物像，刺激视网膜上的感光细胞产生神经冲动，传到大脑皮层的视觉中枢，形成视觉。
三、电学基础知识1.电流：电荷的定向移动形成电流，电流有大小和方向，用安培（A）表示。
2.电压：电压是电势差的简称，是使电路中形成电流的原因。
电压有大小和方向，用伏特（V）表示。
3.电阻：电阻是阻碍电流流动的物理量。
电阻与材料、长度、横截面积和温度有关。
4.欧姆定律：电流I等于电压U与电阻R的比值，即I=U/R。
5.电路：电路包括电源、导线、开关和用电器。
电路有串联和并联两种连接方式。
6.电能：电能是电流做功的能力。
电能的单位是焦耳（J），常用千瓦时（kW·h）表示。
四、声光电的应用1.声音的应用：如电话、广播、音响设备等。
2.光的应用：如照明、摄影、显示技术等。
3.电的应用：如家电、电动工具、电力系统等。
综上所述，初三物理中的声光电知识包括声学基础知识、光学基础知识和电学基础知识。
这些知识点为我们揭示了声音、光和电的基本特性及其在生活中的应用。
通过对这些知识的学习，我们可以更好地理解自然界中的现象，并为未来的学习和工作打下坚实的基础。
《相干光通信系统》PPT课件
8
的相 基干 本光 原通 理信
技 术
9
8.1
图9-2 相干光通信系统结构图
（3）无论外差检测还是零差检测，其检测根据都来源于接收光信 号与本振光信号之间的干涉，因而在系统中，必须保持它们之间的 相位锁定，或者说具有一致的偏振方向。
差
通常PL Ps ，所以第一项可认为是直流常数，很容易被滤除，此 时外差信号由下面的交流项给出
检 测
Io( u t) t2 R P s( t)P Lco It F s ( s L ) （8.1.11）
与零差检测类似，因为该式中本振光PL的出现，接收到的光信号
被放大了，从而提高了SNR。然而，SNR的改进要比零差检测低两
信号电流为 Idd(t)RsP (t) ，由此可见，零差检测平均电信号功
率所比以直该接值检将测增的加信 几号 个功 数率 量增 级加 。虽4然PL散P粒S噪倍声。也既增然加，了通，常但P是S 零差PL，检
测仍可提高信噪比（SNR）许多倍。
14
8.2.2
测零 差 检
零差检测的缺点是它对相位的变化非常敏感。因为（8.1.3）式
中，最后一项ΦL包含本振光相位，很显然ΦL应被控制。理想情况下， 除强调相位， ΦL和ΦS应该保持常数。实际上， ΦL和ΦS随时间随机 摆动。不过，通过相位锁定环路，它们的差（ ΦS - ΦL ）几乎可以保 持恒定。然而，这种锁定环路的实现并不容易，所以使零差接收机的
设计相当复杂。此外，还要求信号光和本振光频率匹配，因此，对这
变得容易。
16
激光相干合成研究现状3
1.光纤激光相干合成技术国内外研究现状从上世纪90年代开始，光纤激光器的出现使得相干合成技术获得了突飞猛进的发展。
光纤激光相干合成一经提出便成为激光研究领域的一个新热点，但是光纤激光相干合成技术才刚刚起步，尚处于实验室探索阶段，没有很多现成的方法和结论可以借鉴，目前国内外多家研究机构都开展了相关研究。
光纤相干合成技术的基本原理就是对许多中等功率的激光器施行一定的相干控制，从而得到高功率的、光束质量接近衍射极限的单模激光输出，它的核心就是要控制激光器的相位，从而使输出光场相干。
相干合成的基本条件是各阵元激光要满足相同的波长且线宽要窄，光束质量好，单模输出，相位一致，偏振方向相同等。
光纤激光相干合成的主要难题是如何使各个子光纤同相位输出，目前已经发展了多种可实现同相位输出的方法和技术。
比较常用的光纤激光相干合成技术按其锁相方式可分为主动式锁相相干合成和被动式锁相相干合成，主动式锁相相干合成主要有自适应锁相、自参考锁相和外差锁相三种结构，被动式锁相相干合成则有外腔相干合成、基于超模耦合的干涉仪合成和倏逝波耦合等多种表现形式，图1-1给出了近十年来光纤激光相干合成主要技术方案的分类总表。
下面介绍几种典型的激光相干合成技术方案，并分析这些方案的优缺点及可扩展性。
1 主动式锁相相干合成主动式锁相相干合成技术是指对各合成阵元的相位进行主动控制，由于要对光纤激光器的相位进行控制，必然会在谐振腔内引入附加的光学原件，因此主动式相干合成一般采用并联主振荡放大结构（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA），主振荡器分束后产生一路参考光和多路信号光，各路信号光路中有相位调制器，再经过功率放大器后进行相干合成。
这种MOPA结构可以适当避开光纤非线性效应以及光纤损伤等棘手问题，通过相位控制来实现功率合成，因此阵元数和功率扩展性都相对较好。
1.1外差锁相相干合成2003年，美国Northrop Grummer Space Technology（NGST）公司开发出外差法控制光纤激光相位的专利技术[1-4]，并将其成功用于MOPA结构的光纤放大器相干合成中。
高三物理声光电知识点总结
高三物理声光电知识点总结声音的产生与传播1.声音是由物体的振动产生的，一切正在发声的物体都在振动。
2.声音的传播需要介质，固体、液体、气体都可以传声，真空不能传声。
3.声速与介质种类和介质的温度有关。
乐音与噪音1.乐音的特征：音调、响度、音色。
2.噪声的度量：响度、强度、音量。
3.噪声的控制：隔声、吸声、消声。
声波的干涉与衍射1.声波的干涉：两个或多个声波相遇，产生声压的叠加现象。
2.声波的衍射：声波遇到障碍物时，波的传播方向发生改变。
声波的共振1.共振现象：当驱动力频率与系统的自然频率相等时，系统的振动幅度最大。
2.共振的条件：驱动力频率等于系统的固有频率。
光的传播1.光在同种均匀介质中沿直线传播。
2.光的折射现象：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变。
3.光的衍射现象：光遇到障碍物时，波的传播方向发生改变。
光的波动性1.干涉现象：两个或多个光波相遇，产生光强的叠加现象。
2.衍射现象：光遇到障碍物时，波的传播方向发生改变。
3.偏振现象：光波的振动方向在特定平面内。
光的粒子性1.光电效应：光照射到金属表面，电子被弹射出来的现象。
2.康普顿效应：X射线与物质相互作用，波长发生变化的现象。
3.黑体辐射：物体因温度而发出的光。
光谱与颜色1.光谱：光按波长或频率分布的连续谱。
2.颜色：光的波长或频率决定的视觉现象。
静电学1.静电的产生：物体失去或获得电子而带电。
2.库仑定律：两个点电荷之间的作用力与它们的电荷量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
3.静电场：电荷在空间产生的场。
电路与电流1.电路的基本元件：电源、导线、电阻、开关。
2.欧姆定律：电流强度与电压、电阻之间的关系。
3.串并联电路：串联电路中电流强度相同，电压分配；并联电路中电压相同，电流分配。
4.磁场：磁体周围存在的物质。
5.磁场强度：磁场的强弱。
6.磁通量：磁场穿过某一面积的总量。
电磁感应1.法拉第电磁感应定律：电磁感应电动势与磁通量的变化率成正比。
07.相干光通信系统解析
7.1 相干检测基本原理
接收端的光匹配器是为了达到光混频器最大可能 的混频效率而使接收的光复数振幅和偏振与本振 光波相匹配。光隔离器的作用是避免反射光反馈 回信号光源或本振光源而引起光源频谱发生展宽， 甚至是多纵模工作。 相干光通信根据本振光信号频率与接收到的信号 光频率是否相等，可分为外差检测相干光通信和 零差检测相干光通信。前者经光电检波器获得的 是中频信号，中频信号还需二次解调才能被转换 成基带信号。
7.4 相干光通信的关键技术
外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输 特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物 理现象而提出的。外光调制器主要包括三种：利 用电光效应制成的电光调制器、利用声光效应制 成的声光调制器和利用磁光效应制成的磁光调制 器。采用以上外调制器，可以完成对光载波的振 幅、频率和相位的调制。目前，对外光调制器的 研究比较广泛，如利用扩散LiNbO3马赫干涉仪或 定向耦合式的调制器可实现ASK调制，利用量子 阱半导体相位外调制器或LiNbO3相位调制器实现 PSK调制等。
上式中有三项的频率在2S左右，通常超 出光电二极管的响应范围，因此没有检波 输出。这样，上式简化为
7.1 相干检测基本原理
注意到，该式第一项为信号光强度，其余 两项都是本振光出现后的强度。第三项表 示信号光与本振光之间的差拍效应，其振 幅与信号光场成正比，差拍的相位与信号 的相位变化成线性关系。因此，接收信号 中的振幅和相位都存在在差拍场的强度中。 通常，本振光比信号光强得多，上式可简 化为
7.2 相干光通信系统的组成
经过理论计算，在完全匹配的情况下，所 输出的中频信号电流幅度可用下式表达：
式中，A为常系数；R为光电检测器的响 应度；Ps为接收光信号的平均光功率；P1 为本振光信号的平均光功率。
07.相干光通信系统解析
2ASK信号解调原理
2ASK信号解调波形
2. FSK频移键控 若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和 f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键 控信号（2FSK）。 二进制移频键控信号可以看成是两个不同 载波的二进制振幅键控信号的叠加。 2FSK信号能够采用非相干解调(包络检波法) 和相干解调(同步检测法)。
7.1 相干检测基本原理
同时注意到式中的相位角，本振相位和信 号相位是直接相加的，因此，本振相位的 任何变化都将干扰信号相位中包含的信息， 这就是说，本振光的相位稳定是很重要的。
7.2 相干光通信系统的组成
相干光通信系统由光发射机、光纤和光接 收机组成
7.2 相干光通信系统的组成
1．光发射机 由光频振荡器发出相干性很好的光载波通 过调制器调制后，变成受数字信号控制的 已调光波，并经光匹配器后输出，这里的 光匹配器有两个作用：一是使从调制器输 出已调光波的空间复数振幅分布和单模光 纤的基模之间有最好的匹配；二是保证已 调光波的偏振态和单模光纤的本征偏振态 相匹配。
2FSKK解调原理
2FSK解调波形
3. PSK相移键控 正弦载波的相位随二进制数字基带信号离 散变化，则产生二进制移相键控(2PSK)信 号。 2PSK信号的解调通常都是采用相干解调。
2PSK时间波形
2PSK调制原理
2PSK解调原理
2PSK解调波形
上式中有三项的频率在2S左右，通常超 出光电二极管的响应范围，因此没有检波 输出。这样，上式简化为
7.1 相干检测基本原理
注意到，该式第一项为信号光强度，其余 两项都是本振光出现后的强度。第三项表 示信号光与本振光之间的差拍效应，其振 幅与信号光场成正比，差拍的相位与信号 的相位变化成线性关系。因此，接收信号 中的振幅和相位都存在在差拍场的强度中。 通常，本振光比信号光强得多，上式可简 化为
声光移频器在相干系统-Readppt课件
相对光强为：
二、电光体强度调制器
晶体的透射比曲线 透射的相对光强随外加电压变化关系曲线I/I0~V(或）
工作点在透射比曲线的非线性部分时，输出光信号失真; 工作点选在透射比曲线线性区( ＝/2附近）时，得
到不失真的基频信号.
二、电光体强度调制器
如何获得 ＝/2的偏置相位差
三、电光波导调制器
光波导调制器的优势： 体积小，易于集成； 所需的驱动功率比体调制器要减小1～2个量级。 光波导调制器与体调制器比较 相同点： 由介质构成的光波导调制器，其电光、声光等物 理效应对光参数的控制过程，也是使介质的介电张量产生 微小的变化（即折射率变化)，从而使两传播模间有一相位 差； 不同点：外场的作用会导致波导中本征模传输特性的变化 及两个不同模式之间的耦合转换，因此光波导调制器的基 本特性可以用介质光波导的耦合模理论来描述。
为保证调制光发生畸变，限制高次谐波的幅值 （4）电光晶体尺寸的选择
电光晶体尺寸是指其长度和横截面的大小。增加 长度有助于减小调制器的电容，使频带展宽。但不能 过长。
第二节 声光控制器件
2.2.1 声光控制器件的类型
➢ 用来调制光束强度的声光器 ➢ 用来改变光束方向的声光器 ➢ 选择光束波长的声光器件 ➢ 引起光束频移的声光器件
一、电光体相位调制器
设起偏器的偏振通光方向平行于晶体的感应主轴x’（或y’)
因此，入射晶体的线偏振光不再分解成沿x’，y’的两个分
量，外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位：
c电光体相位调制器
c
c
nx
'
L
对于KDP晶体：
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no
1 2
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量，外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位：
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一、电光体相位调制器
c
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nx'L
对于KDP晶体： nx'no 12no363Ez
假设外加电场为： Ez Emsi nmt
晶体入射面光场为： EinAccosct
晶体出射面光场为：
E ou tA cc oc ts c c n o 1 2 n o 36E 3 m sim n t L
1.结构
起光偏置作用，使调 制信号的工作点位于 线性调制区域。
比相位调制器多了一个检偏器和1/4波片 ➢ 如果外电场为零，偏振面不发生旋转，通不过检偏器， 则输出光强为零； ➢ 如果外加电压正好使偏振面转过900，完全从检偏器 通过，则输出光强最大，这个电压称为半波电压。
二、电光体强度调制器
2. 调制原理 在外加电场作用下，电光晶体尤如一块波片，相位延
铌酸锂是一种人工生长的晶体，简写为LN；
特 0.4~5m光谱范围内的透过率大于95%; 点 光学均匀性好
不潮解，属于三方晶系点群结构
2.1.2 铌酸锂的线性电光效应
线性电光系数矩阵：
0 22 13
0
22
13
ij
0 0
0 51
33 0
51
0
0
22 0
0
在外加电场E(E1，E2，E3）作用下，新的折射率椭球方程：
晶体的透射比曲线 透射的相对光强随外加电压变化关系曲线I/I0~V(或）
工作点在透射比曲线的非线性部分时，输出光信号失真; 工作点选在透射比曲线线性区( ＝/2附近）时，得
到不失真的基频信号.
二、电光体强度调制器
如何获得 ＝/2的偏置相位差
加入1/4波片，引入固定的偏置相位差－－光偏置法 且1/4波片位置可前可后。 由于引入了/2的偏置相位差，P和A之间的总相位差为：
n1n2 n3n
当外加电场平行于x轴时， E2=E3=0
出现一个交叉项，说明在E1的作用下，晶体的折射 率椭球绕x轴转动了一定角度（450），得到新的折射率 椭球方程：
2.1.3 GaAs和InP的线性电光效应 新的主折射率为：
可运用在横向和纵向调制
2.1.4 电光调制器
电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外 加电场作用下，其折射率发生与电场相关的变化。当光 波通过时，其传输特性就在外加电场的作用下发生可控 的变化。这种现象就是电光效应作用的结果。
新的主折射率为：
2.1.3 GaAs和InP的线性电光效应
线性电光系数矩阵：
0 0 0
0
0
0
ij
0
41
0 00 00 4 0 0 0 41 在外加电场E(E1，E2，E3）作用下，新的折射率椭球方程：
2.1.3 GaAs和InP的线性电光效应
没有外加电场时，折射率椭球为一球体.
迟随外加电场的大小而变，随之引起偏振态的变化，从而 使得检偏器出射光的振幅受到调制。
二、电光体强度调制器
KD*P类晶体纵向运用： 晶体的感应主轴x’，y’与未加电场时单轴晶体的两主振 动方向为x,y成450，且与起偏器P的透光轴成450角。
强度分布为： 则通过检偏器的光强为：
相对光强为：
二、电光体强度调制器
一、外加电场平行于z轴 即E1=E2=0
由于此时没有交叉项出现，说明加电场后折射率椭 球的主轴与原来的折射率椭球的主轴完全重合，折射率 椭球仍为旋转椭球。
一、外加电场平行于z轴
一般ij的量级为10-10cm/V,而E的量级通常为104V/cm ij E<<1
利用泰勒级数展开：
一、外加电场平行于z轴
生了变化；
折射率椭球主轴将绕x轴转动了一个角度，并且由单
轴晶适体用变于成纵了向双轴及晶横体向。的应用。
新的主折射率为：
三、外加电场平行于x轴
当与外加外电加场电平场行平于行x轴于时y，轴E对2=晶E体3=的0 作用基本相同， 差别仅在于主轴旋转的程度不一样。
出现两个交叉项，说明在E1的作用下，晶体的折射 率椭球主轴绕两个主轴发生了转动。
一、电光体相位调制器
E ou tA cc oc ts c c n o 1 2 n o 36E 3 m sim n t L
E o u A c t cc o t m s sm it n
相位调制系数
m
cno 3 6E 3mLno 3 2c
6E 3mL
二、电光体强度调制器
必须施加强大的电场，以改变整个晶体的光学特性， 从而使之通过的光波受到调制。
光波导调制器 介质光波导是集成光学技术的基本组成部件，它主要
可分为平面波导和矩形波导（条形波导）两大类，波导层 的厚度一般为微米量级。从外界输入信号对介质波导中传 播的光波加以控制，就称之为光波导调制器。
由Li此N可bO以3得晶到体新的沿主z轴折射方率向为加：电场后，只产生横 向电光效应，而不产生纵向电光效应。
对于纵向调制，两个正交的线偏振光经调制器出射所产生 的相位差为：
横向调制所产生的相位差为：
二、外加电场平行于y轴
当折外射加电率场主平轴行x于轴y不轴时转，动E；1=E3=0 折射率椭球z轴长短不变，x和y方向的主值发
第二章 各种类型的光控器件
第一节 电光控制器件 第二节 声光控制器件 第三节 磁光控制器件
第一节 电光控制器件
2.1.1 几种常用电光材料的线性电光效应 常用的线性电光效应较强的材料： LiNbO3（铌酸锂）、LiTaO3 、KDP（磷酸二氢钾） 、 KTN（铌酸锂钾） 、BaTiO3等 一、铌酸锂晶体的线性电光效应
在外加电场的作用下，可以人为的改变媒质（包括 晶体和各向同性媒质）的光学性质。利用这些电光材料 做成的电光器件可以实现对光束的振幅、相位、频率、 偏振态和传播方向的调制，使电光效应在现代光电工程 系统得到广泛的应用。
一、电光体相位调制器
设起偏器的偏振通光方向平行于晶体的感应主轴x’（或y’)
因此，入射晶体的线偏振光不再分解成沿x’，y’的两个分
/2＋
如果交流调制信号电压为正弦信号：
UUosint
输出相对光强为：
二、电光体强度调制器
可用于实现激光通信； 可用于测定高电压及用作电光开关； 用电光效应实现光束偏转的器件称为电光偏转器件。
三、电光波导调制器
1. 电光波导调制器的概念 电光体调制器 具有较大体积尺寸的分离器件； 几乎整个晶体材料都受到外加电场的作用，因此器件