第七章-光电信息变换课件

第第7 7章章 光电信息变换光电信息变换 将光学信息变换为电学信息的设备或系统称为光电信息变将光学信息变换为电学信息的设备或系统称为光电信息变换器。换器。光电信息变换器常由光源、光学系统、光电传感器、偏置光电信息变换器常由光源、光学系统、光电传感器、偏置电路和处理电路构成。电路和处理电路构成。探探测测器器放放大大器器示波器示波器背景背景目标目标信信 号号处处 理理7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 光电信息变换的分类：光电信息变换的分类：一方面根据一方面根据信息载入光学信息的方式分：信息载入光学信息的方式分：信息载荷于光源的信息载荷于光源的方式；信息载荷于透明体的方式；信息载荷于反射光的方式；信方式；信息载荷于透明体的方式；信息载荷于反射光的方式；信息载荷于遮挡光的方式；信息载荷于光学量化器的方式；光通信息载荷于遮挡光的方式；信息载荷于光学量化器的方式；光通信方式的信息变换。方式的信息变换。另一方面根据另一方面根据光电变换电路输出信号与信息的函数关系分光电变换电路输出信号与信息的函数关系分为为模拟光电变换与模模拟光电变换与模-数光电变换两类。数光电变换两类。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 1.1.信息载荷于光源的方式信息载荷于光源的方式 信息载荷于光源中的情况（或光学信息为光源本身），如信息载荷于光源中的情况（或光学信息为光源本身），如光源的温度信息，光源的频谱信息，光源的强度信息等。光源的温度信息，光源的频谱信息，光源的强度信息等。应用范围：钢水温度的探测、光谱分析、火灾报警、武器应用范围：钢水温度的探测、光谱分析、火灾报警、武器制导、夜视观察等。制导、夜视观察等。举例：利用全辐射测温原理测量物体温度。举例：利用全辐射测温原理测量物体温度。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 2.2.信息载荷于透明体的方式信息载荷于透明体的方式 利用透明体的透明度、透明密度分布、厚度、介质材料对利用透明体的透明度、透明密度分布、厚度、介质材料对光的吸收系数等信息测量。光的吸收系数等信息测量。应用范围：液体或气体的透明度（或混浊度）、透明薄膜应用范围：液体或气体的透明度（或混浊度）、透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等。的厚度、均匀度及杂质含量等。举例：测量液体浓度或介质厚度。举例：测量液体浓度或介质厚度。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 3.3.信息载荷于反射光的方式信息载荷于反射光的方式 利用镜面反射或漫反射信息进行测量。利用镜面反射或漫反射信息进行测量。应用范围：利用镜面反射来判断光信号有无等信息，如光应用范围：利用镜面反射来判断光信号有无等信息，如光电准值仪、迈克尔孙干涉仪；测量物体的运动、转动的速度、电准值仪、迈克尔孙干涉仪；测量物体的运动、转动的速度、相位等。漫反射主要是测量物体表面性质的信息，如反射系数相位等。漫反射主要是测量物体表面性质的信息，如反射系数载荷表面粗糙度及表面疵病。载荷表面粗糙度及表面疵病。举例：检测产品外观疵病。举例：检测产品外观疵病。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 4.4.信息载荷于遮挡光的方式信息载荷于遮挡光的方式 利用物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过利用物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电器件的视场进行测量。光电器件的视场进行测量。应用范围：光电测微仪、光电投影显微测量仪、光电计数、应用范围：光电测微仪、光电投影显微测量仪、光电计数、光控开关和主动式防盗报警。光控开关和主动式防盗报警。举例：检测物体宽度、速度、位移、加速度等。举例：检测物体宽度、速度、位移、加速度等。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 5.5.信息载荷于光学量化器的方式信息载荷于光学量化器的方式 光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换成有光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换成有限个离散量的方法。光学量化器主要包括光栅摩尔条纹量化器、限个离散量的方法。光学量化器主要包括光栅摩尔条纹量化器、各种干涉量化器和光学码盘量化器等。各种干涉量化器和光学码盘量化器等。应用范围：精密尺度测量、角度测量和精密机床加工的自应用范围：精密尺度测量、角度测量和精密机床加工的自动控制方面。动控制方面。举例：长度测量。举例：长度测量。一、光电信息变换的基本形式一、光电信息变换的基本形式7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 6.6.光通信方式的信息变换光通信方式的信息变换 信息首先对光源进行调制，发出载有各种信息的光信号，信息首先对光源进行调制，发出载有各种信息的光信号，通过光纤传送到目的地，再通过解调器还原信息。广泛用于声通过光纤传送到目的地，再通过解调器还原信息。广泛用于声音和视频图像等信息通信中。音和视频图像等信息通信中。二、光电信息变换的类型二、光电信息变换的类型 7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 光电信息变换和信息处理方法可分为光电信息变换和信息处理方法可分为2 2类：一类称为模拟量的类：一类称为模拟量的光电信息变换；另一类称为数字量的光电信息变换，例如后光电信息变换；另一类称为数字量的光电信息变换，例如后2 2种变种变换方式。换方式。1.1.模拟光电变换模拟光电变换 被被测测的的非非电电量量信信息息（如如温温度度、介介质质厚厚度度、均均匀匀度度、溶溶液液浓浓度度、位位移移量量、工工件件尺尺寸寸等等）载载荷荷于于光光信信息息量量时时，常常为为光光度度量量（通通量量、照照度度和和出出射射度度等等）的的方方式式送送给给光光电电器器件件，光光电电器器件件则则以以模模拟拟电电流流IpIp或或电电压压UpUp信信号号的的形形式式输输出出。即即输输出出信信号号量量是是被被测测信信号号量量Q Q的的函函数数，或或称称输输出出信信号号量量与与被被测测信信号号量量之之间间的的关关系系为为模模拟拟函函数数关关系系。可可表表示为示为 Ip=f(Q)二、光电信息变换的类型二、光电信息变换的类型 7.1 7.1 光电信息变换的分类光电信息变换的分类 2.2.模模-数光电变换数光电变换 在在这这类类光光电电变变换换中中，被被测测信信息息量量Q Q通通过过光光学学变变换换量量化化为为数数字字信信息息（包包括括光光脉脉冲冲、条条纹纹信信号号和和数数字字代代码码等等），再再经经光光电电变变换换电电路路输出。输出。模模-数数光光电电变变换换中中的的光光电电变变换换电电路路只只要要输输出出“0 0”和和“1 1”（高高、低低电电平平）两两个个状状态态的的脉脉冲冲即即可可。脉脉冲冲的的频频率率、间间隔隔、宽宽度度、相相位位等等都都可可以以载载荷荷信信息息。因因此此，这这类类光光电电变变换换电电路路的的输输出出信信号号不不再再是是电流或电压，而是数字信息量电流或电压，而是数字信息量F F。它与被测信息量它与被测信息量Q Q的函数关系为的函数关系为 F=F=f(Qf(Q)一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸信息的光电变换 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换1.1.投影放大法投影放大法将目标或工件的长、宽等尺寸信息转变为光电信息的方法有将目标或工件的长、宽等尺寸信息转变为光电信息的方法有投影放大法，激光三角测量法，光学灵敏杠杆测量法，激光扫描投影放大法，激光三角测量法，光学灵敏杠杆测量法，激光扫描测量法和差动测量法等。测量法和差动测量法等。投影仪是一种光学放大成像仪器。所以，特别适合用于对形投影仪是一种光学放大成像仪器。所以，特别适合用于对形状复杂的工件和较小型工件的测量。状复杂的工件和较小型工件的测量。光源光源聚光镜聚光镜保护玻璃保护玻璃待测物体待测物体物镜物镜反射镜反射镜投影屏投影屏一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸信息的光电变换 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换2.2.激光三角法激光三角法单点式激光三角法常采用直射和斜射两种结构。单点式激光三角法常采用直射和斜射两种结构。激光三角法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力激光三角法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等特点，在长度、距离及三维形貌等的测试强、使用灵活方便等特点，在长度、距离及三维形貌等的测试中应用广泛。中应用广泛。7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸信息的光电变换 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换2.2.激光三角法激光三角法 利用直射式方法还可利用直射式方法还可测量被测面的位移量。测量被测面的位移量。7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换3.3.光学灵敏杠杆法光学灵敏杠杆法 用来测量微小长度用来测量微小长度（或长度改变量）。（或长度改变量）。一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸信息的光电变换 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换4.4.激光扫描法激光扫描法 这种方法是利用扫描光束周期性地照明被测物体，在物体这种方法是利用扫描光束周期性地照明被测物体，在物体边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分布，通过测量边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分布，通过测量通光与遮光的时间差进行测长。通光与遮光的时间差进行测长。一、长、宽尺寸信息的光电变换一、长、宽尺寸信息的光电变换 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换 在成像系统中，物像之间在成像系统中，物像之间有严格的几何关系，被测物体有严格的几何关系，被测物体离开理想物面时就会引起像面离开理想物面时就会引起像面上的光照度分布的变化，利用上的光照度分布的变化，利用这种现象可以测量轴向位移。这种现象可以测量轴向位移。二、位移信息的光电变换二、位移信息的光电变换 光焦点法：以聚焦光斑光密光焦点法：以聚焦光斑光密度分布的集中程度来判断物体度分布的集中程度来判断物体轴向位移的方法。轴向位移的方法。1.1.像点轴上偏移检测的光焦点法像点轴上偏移检测的光焦点法 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换 像偏移法又叫光切法。它是一种三角测量方式的轴向位移测像偏移法又叫光切法。它是一种三角测量方式的轴向位移测量方法。量方法。二、位移信息的光电变换二、位移信息的光电变换2.2.像点轴外偏移检测的像偏移法像点轴外偏移检测的像偏移法 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换 利用光电开关可以实现速度信息的光电转换。同时，光电开利用光电开关可以实现速度信息的光电转换。同时，光电开关是一种简单的编码器，可以实现自动控制和自动检测。关是一种简单的编码器，可以实现自动控制和自动检测。三、速度信息的光电变换三、速度信息的光电变换1.1.光电耦合器件（光电开关）测速光电耦合器件（光电开关）测速 7.3 7.3 几何光学法的光电信息变换几何光学法的光电信息变换 利用光电开关可以实现速度信息的光电转换。同时，光电开利用光电开关可以实现速度信息的光电转换。同时，光电开关是一种简单的编码器，可以实现自动控制和自动检测。关是一种简单的编码器，可以实现自动控制和自动检测。三、速度信息的光电变换三、速度信息的光电变换2.2.光电耦合器件（光电开关）测速光电耦合器件（光电开关）测速 使用范围：自动售货机中硬币检测；反射型光电开关用于传使用范围：自动售货机中硬币检测；反射型光电开关用于传真、复印；透射式光电开关可用于圆盘光栅式读数装置（如电子真、复印；透射式光电开关可用于圆盘光栅式读数装置（如电子秤）。秤）。7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换n干涉方法的光电信息变换干涉方法的光电信息变换n衍射方法的光电信息变换衍射方法的光电信息变换 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换 利用光电方法对光波的各利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，种干涉现象进行检测和处理，最后解算出被测几何和物理参最后解算出被测几何和物理参量的技术，统称为光电干涉测量的技术，统称为光电干涉测量技术。量技术。一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换1.1.光电干涉测量技术光电干涉测量技术 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换 使用窄光束单频光的干涉测量系统，检测对象是干涉条纹波使用窄光束单频光的干涉测量系统，检测对象是干涉条纹波数或相位随时间的变化，为一维空间单频光的相位调制，适用于数或相位随时间的变化，为一维空间单频光的相位调制，适用于被测对象为物体的整体位移或运动。被测对象为物体的整体位移或运动。一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条纹检测单频光相干的条纹检测 当激光束扩束成为平行光照射到被测物体时，会形成由干涉当激光束扩束成为平行光照射到被测物体时，会形成由干涉条纹组成的平面干涉图像。它反映了被测物面微观面形的几何参条纹组成的平面干涉图像。它反映了被测物面微观面形的几何参量的变化，是二维空间单频光的相位调制。量的变化，是二维空间单频光的相位调制。7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条纹检测单频光相干的条纹检测干涉条纹时序变换的检测可采用下列光电方法：干涉条纹时序变换的检测可采用下列光电方法：干涉条纹光强检测法、干涉条纹比较法和干涉条纹跟踪法等干涉条纹光强检测法、干涉条纹比较法和干涉条纹跟踪法等窄光束或平行的单频光窄光束或平行的单频光位移、运动或面形位移、运动或面形光电系统光电系统干涉图样相位随时干涉图样相位随时间的变换间的变换 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条纹检测单频光相干的条纹检测 利用光学干涉仪的双光利用光学干涉仪的双光束或多光束干涉作用，以光束或多光束干涉作用，以光电器件直接检测条形或同心电器件直接检测条形或同心圆环形干涉条纹的光强变化圆环形干涉条纹的光强变化来实现干涉条纹时序变化检来实现干涉条纹时序变化检测的。测的。（1 1）干涉条纹光强检测法）干涉条纹光强检测法光源光源检测检测 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条纹检测单频光相干的条纹检测 利用两束不同频率的相干光作为光源，其中一束频率利用两束不同频率的相干光作为光源，其中一束频率已知，另一束未知，对应同一位移，通过比较波长不同的已知，另一束未知，对应同一位移，通过比较波长不同的两束光干涉条纹频率变化得到待测量的方法称为干涉条纹两束光干涉条纹频率变化得到待测量的方法称为干涉条纹比较法。比较法。（2 2）干涉条纹比较法）干涉条纹比较法 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换2.2.单频光相干的条纹检测单频光相干的条纹检测干涉条纹跟踪法为干涉条纹跟踪法为平衡测量平衡测量的方法。的方法。（3 3）干涉条纹跟踪法）干涉条纹跟踪法为保证干涉条纹的稳定，使参为保证干涉条纹的稳定，使参考镜根据测量镜的位移做相应考镜根据测量镜的位移做相应的位移变化的位移变化 7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换3.3.双频光相干的差频检测双频光相干的差频检测 双频光的差频检测是将包含有被测信息的相干光调制波和基双频光的差频检测是将包含有被测信息的相干光调制波和基准的本机振荡光波在满足波前匹配的条件下，在光电探测器上进准的本机振荡光波在满足波前匹配的条件下，在光电探测器上进行光学混频，光电探测器的输出为两光波的差频电信号。行光学混频，光电探测器的输出为两光波的差频电信号。7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换3.3.双频光相干的差频检测双频光相干的差频检测作为基准的本作为基准的本机振荡光波机振荡光波包含被测信息包含被测信息的相干光调制的相干光调制光电检测光电检测系统系统差频信号（拍频）差频信号（拍频）光学混频光学混频 差频检测的优点：灵敏度高、输出信噪比高、精度差频检测的优点：灵敏度高、输出信噪比高、精度高、探测目标的作用距离远等。高、探测目标的作用距离远等。7.4 7.4 物理光学法的光电信息变换物理光学法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换一、干涉方法的光电信息变换3.3.双频光相干的差频检测双频光相干的差频检测作为基准的本作为基准的本机振荡光波机振荡光波包含被测信息包含被测信息的相干光调制的相干光调制光电检测光电检测系统系统差频信号（拍频）差频信号（拍频）光学混频光学混频 差频检测的优点：灵敏度高、输出信噪比高、精度差频检测的优点：灵敏度高、输出信噪比高、精度高、探测目标的作用距离远等。高、探测目标的作用距离远等。7.5 时变光电信息的调制n调制的基本原理与类型调制的基本原理与类型n信号的调制信号的调制n调制信号的解调调制信号的解调7.5.1 调制的基本原理与类型n1.载波与调制载波与调制载波：在光电信息系统中，光通量为信息的载波：在光电信息系统中，光通量为信息的载体，称为载波。载体，称为载波。调制：使光载波信号的一个或几个特征参数调制：使光载波信号的一个或几个特征参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法称为调制。测传送目的的方法称为调制。解调：从已调制信号中分离并提取出有用的解调：从已调制信号中分离并提取出有用的信息，即恢复原始信息的过程称为解调。信息，即恢复原始信息的过程称为解调。7.5.1 调制的基本原理与类型n1.光电信息调制的分类光电信息调制的分类（1）按时空状态分：）按时空状态分：时间调制：载波随时间和信息变化。时间调制：载波随时间和信息变化。空间调制：载波随空间位置变化后再按信空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。息规律调制。时空混合调制：载波随时间、空间和信息时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。同时变化。7.5.1 调制的基本原理与类型n1.光电信息调制的分类光电信息调制的分类（2）按载波波形和调制方式分类：）按载波波形和调制方式分类：直流载波调制：不随时间而只随信息变化的调制。直流载波调制：不随时间而只随信息变化的调制。交变载波调制：载波随时间周期变化的调制。交变载波调制：载波随时间周期变化的调制。交变载波又分为连续载波和脉冲载波方式：交变载波又分为连续载波和脉冲载波方式：连续载波调制方式包括调辐波、调频波、调相波；连续载波调制方式包括调辐波、调频波、调相波；脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频。脉冲载波调制方式包括脉冲调宽、调幅、调频。7.5.2 信号的调制n1.机电调制器机电调制器n2.光控调制器光控调制器n3.辐射源调制器辐射源调制器7.5.2 信号的调制n1.机电调制器机电调制器机电振子、旋转光闸机电振子、旋转光闸7.5.2 信号的调制n（1）机电振子机电振子 极化继电器极化继电器 由由极化磁场极化磁场与控制电流通过控制线圈所与控制电流通过控制线圈所产生的产生的磁场磁场的综合作用而动作的继电器。的综合作用而动作的继电器。其极化磁场一般由磁钢或通直流的极化线其极化磁场一般由磁钢或通直流的极化线圈产生；圈产生；继电器衔铁的吸动方向取决于控继电器衔铁的吸动方向取决于控制绕组中流过的电流方向制绕组中流过的电流方向。它具有灵敏度。它具有灵敏度高和动作速度快的突出优点。高和动作速度快的突出优点。7.5.2 信号的调制n（1）机电振子机电振子 优点：振子结构紧凑，调制方法简单，不优点：振子结构紧凑，调制方法简单，不改变入射光的频率。改变入射光的频率。缺点：调制频率不高，稳定性差。缺点：调制频率不高，稳定性差。7.5.2 信号的调制n（2）旋转光闸旋转光闸 7.5.2 信号的调制n2.光控调制器光控调制器 材料折射率各向异性的性质可在电场、材料折射率各向异性的性质可在电场、磁场和机械力等外力作用下形成或改变，磁场和机械力等外力作用下形成或改变，利用这些光控效应实现对光波振幅、频率、利用这些光控效应实现对光波振幅、频率、相位、偏振面等光学参量调制的仪器，是相位、偏振面等光学参量调制的仪器，是光控调制器。光控调制器。7.5.2 信号的调制n2.光控调制器光控调制器（1）电光调制器）电光调制器泡克耳斯泡克耳斯Pockels调制器调制器 泡克耳斯效应是一种线性电光效应。泡克耳斯效应是一种线性电光效应。某些晶体在电场作用下会产生一个附加某些晶体在电场作用下会产生一个附加的双折射的双折射,这一双折射与外加电场或外加电这一双折射与外加电场或外加电压的一次方成正比压的一次方成正比。1893年德国物理学家年德国物理学家F.泡克耳斯首先研泡克耳斯首先研究了这种线性电光效应，由此而得名。究了这种线性电光效应，由此而得名。7.5.2 信号的调制n2.光控调制器光控调制器（1）电光调制器）电光调制器泡克耳斯泡克耳斯Pockels调制器调制器 7.5.2 信号的调制n2.光控调制器光控调制器（1）电光调制器）电光调制器克尔克尔Kerr调制器调制器 克尔效应是一种二次电光效应，在外克尔效应是一种二次电光效应，在外电场作用下晶体的折射率变化与电场强度电场作用下晶体的折射率变化与电场强度的平方成正比。这一现象是的平方成正比。这一现象是1875年年J.克尔克尔发现的。发现的。7.5.2 信号的调制n2.光控调制器光控调制器（2）其它光控调制器）其它光控调制器 7.5.2 信号的调制n3.辐射源调制器辐射源调制器 在光辐射源供电电源上施加交变或脉冲的在光辐射源供电电源上施加交变或脉冲的激励电压，实现对光源发出的光进行调制。激励电压，实现对光源发出的光进行调制。半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED）是目前应用最）是目前应用最广泛的光通量调制器。广泛的光通量调制器。n7.2.2 模模-数光电变换电路数光电变换电路 7.1节简单的讨论了模-数光电变换的特点，提出了模-数光电变换系统对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。因此，模-数光电变换电路的设计要比模拟光电变换电路简单得多。本节将通过几个模-数光电变换电路的典型应用学习这类变换电路。1.激光干涉测位移 如图7-14所示为激光单路干涉测位移的原理图。He-Ne激光器发出的光入射到反射镜M1（分光器）上分成两束，一束为参考光束，另一束为测量光。两束光分别经全反射镜M2与M3回到M1，并在M1处产生干涉。干涉条纹被光电器件接收，形成脉冲信号。反射镜M3的位置量的模拟信息将载于脉冲信号。显然，参考光束与测量光束的光程不相等。当光程差是波长的整数倍时，即K入(K=0，1，2，3)时，两束光波的相位相同，M1处的光强度最大(出现亮点)，光电器件输出高电平；当光程差(K十1/2)时，两束光波的位相差为，M1处的光强度为零(出现暗点)，光电器件输出低电平。当M3沿着测量光束的光轴移动时，在M1上将出现亮暗交替的干涉条纹，其光强度的变化规律为 Iv=Iov+IovKIcos(2/)(7-34)式中，Io为平均光强度，KI为干涉条纹的对比度。从式(7-34)可知，光程差每变化波长时，干涉条纹暗亮变化一次，当干涉条纹变化n次时，光程差n。对于图7-14所示结构，光程差是动镜M3位移量L的二倍。因此，被测位移量L=n/2(7-35)只要计量干涉条纹的个数n，便可测出测量头移动的长度。这种结构的量化单位为/2。测量头左右移动的方向可以采用图7-15所示判断，根据两个光电器件输出脉冲的先后判断测量头的移动方向（即条纹是由亮变黑还是由黑变亮）。然后，采用可逆计数器进行加、减计数。n2.莫尔条纹测位移 两块光栅以微小角度重叠时，在与光栅大致垂直的方向上，将看到明暗相间的粗条纹，称为莫尔条纹(moirefringe)。如图7-16所示为两种计量光栅示意图。其中图（a）为刻划光栅。图7-16(b)为用腊腐蚀或照相腐蚀的方法制成的黑白光栅。计量光栅的黑白线条等宽，光栅的节距（光栅常数）为等间隔的。当当两两快快光光栅栅接接近近重重叠叠时时便便产产生生如如图图7-17所所示示的的莫莫尔尔条条纹纹。图图7-17中中的的aa线线透透光光面面积积最最大大，形形成成条条纹纹的的亮亮带带，在在bb线上，光线被暗条相互遮挡，形成暗带。线上，光线被暗条相互遮挡，形成暗带。从条纹的形状可以看出，莫尔条纹的位置在两光栅刻线夹角的补角平分线上。当两光栅相对移动时，莫尔条纹就在移动的垂直方向即角的平分线上移动。假设光栅的节距为d，两光栅的栅线夹角为，则条纹的间隔（宽度）m与d和的关系为一般角很小，上式可简化为（7-36）（7-37）光栅每移一个栅距，莫尔条纹移过一个间隔（即一个条纹）。因此，只要计测条纹移过的个数n，便可计算出光栅的位移量L，即 L=nq (7-38)式中q=d为量化单位，表示每条纹的长度量。图7-18所示为光柵测长的原理图。它先将长度量变换成莫尔条纹信号，然后再用光电器件读取长度信息，这种光栅又称为长光栅或长光栅付。它包含指示光栅与标尺光栅，指示光栅固定，标尺光栅的长度由位移量决定，一般较长。莫尔条纹信号通过狭逢入射到光电器件上，它输出的光电信号近似于正弦波。用两个光电器件输出的信号可以判断光栅移动的方向。两路光电信号的相位差为/2，即一路为sin，另一路为cos。图7-19所示为测角度用的圆光栅的原理图。圆光栅付包括指示光栅与圆光栅盘。圆光栅盘是在玻璃圆盘上等间隔地刻线制成。圆盘光栅与指示光栅重叠产生莫尔条纹。圆盘光栅固定在转轴上，可以转动。指示光栅、光源、透镜、与光电器件构成固定的光电探测头。当光栅转盘旋转时，指示光栅与圆盘光栅产生的莫尔条纹将沿圆盘径向移动，光电探测头读出并判断莫尔条纹的移动量和方向，便将角度量变换成莫尔条纹信号。显然，这种装置只能测量角度的变化量，不能得到角度的绝对值。因此，称它为增量式编码器。光栅盘每条刻线表示角度的增量，即量化单位。当光栅转盘转过一条刻线时，莫尔条纹将变化一次，通过计算莫尔条纹的变化次数n，便可得到转轴旋转的角度，即 =qn (7-39)式中q为量化单位，表示每条纹的角度量。莫尔条纹法进行几何量的测量有如下优点：1、位移量的放大作用将莫尔条纹间隔与光栅距之比定义为光栅付的放大倍数，对于微小倾角有 光电器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线n的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为时，则光电器件输出的总误差 （7-41）例如，对于d=0.02mm的光栅付，用长为10mm的硅光电池接收，在视场内同时有500根线工作。若单根线的误差为1m，则光电池输出的平均误差仅为0.04m。2 2、误差的平均效应、误差的平均效应（7-40）7.4 物理光学方法的光电信息变换 n7.4.1 干涉方法的光电信息变换干涉方法的光电信息变换 物理光学的知识告诉我们，光具有波动的属性，单一频率的光波在它们的传输过程中会发生衍射，几束光的叠加能形成干涉。衍射和干涉现象通常是发生在一定的空间域内，由此组成各种衍射和干涉图样。衍射后的干涉现象组成了有名的莫尔条纹。空间分布的光波间的干涉可以形成全息图样和散斑图样。不同频率光波间的干涉会形成光学拍频，空间域内的拍频分布构成光拍图形。1光电干涉测量技术 各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部几何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、运动方向和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。在这种变换过程中，光波作为物质的载体，载荷了待测信息及其变化，表现出随时间和空间改变的外观特性。利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，最后解算出被测几何和物理参量的技术统称作光电干涉测量技术。随着现代光学技术和光电技术的发展，光电干涉技术以其巨大的生命力在信息科学中崭露头角，并取得了较大的发展。从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待测信息对光频载波的调制和解调的过程。各种类型的干涉仪器或干涉装置是光频波的调制器和解调器。我们用最常见的干涉仪来说明这个模型。图7-30所示为它的结构配制和信息流程。就其信息传递的实质而言，实际的干涉仪结构和工作过程可以用下列方式描述。干涉仪中的激光源是相干光载波的信号发生器，它产生振幅为A，频率为 ，初相位为 的载波信号，用 表示。干涉仪中用激光为相干光载波，它的振幅为A，频率为f，初相位为的载波信号，用 表示。载波信号分为二路引入干涉仪。在测量臂中 受到待测位移信号 的相位调制。形成 的调相信号。待测信息为运动速度 。产生的调频信号为 这样测量臂起到信号调制器的作用。ro图样（在测位移情况下）或确定光拍频率（在测速情况下）的输出信号。已调制光频波在干涉物上和来自参考臂的参考光波相干涉，呈现出具有稳定的干涉 这个信号消除了光频载波的影响，以干涉条纹的相位分布或光拍的时间性变化表征出被测量的变化。因此这被看作是光学解调制的过程。干涉测量的调制和解调过程可以是时间性的，也可以是空间性的。根据调制的方式不同，形成了各种类型的光学图样。这种以光波的时空相干性为基础，受被测信息调制的光波时空变换称作相干光学信息。它的形成和检测过程就是光载波受待测信息调制和已调制光波解调再现为信息的过程。根据相干光学信息的时空状态和调制方式，可以分为：局部空间的一维时间调制的光信号和在二维空间内时间或空间调制光信号。n2 单频光相干的条纹检测（3）干涉条纹跟踪法干涉条纹跟踪法为平衡测量的方法。在干涉仪测量镜位置变化时，通过光电器件实时地检测出干涉条纹的变化。同时利用控制系统使参考镜沿相应方向移动，以维持干涉条纹保持静止不动。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可以直接得到测量镜的位移。图7-34所示为利用这种原理测量微小位移的干涉测量装置。这种方法能避免干涉测量的非线性的影响，并且不需要精确的相位测量装置。但是所用跟踪系统的固有惯性限制了测量的速度，只能测量10kHz以下的位移变化。7.4 物理光学方法的光电信息变换 n7.4.1 干涉方法的光电信息变换干涉方法的光电信息变换 物理光学的知识告诉我们，光具有波动的属性，单一频率的光波在它们的传输过程中会发生衍射，几束光的叠加能形成干涉。衍射和干涉现象通常是发生在一定的空间域内，由此组成各种衍射和干涉图样。衍射后的干涉现象组成了有名的莫尔条纹。空间分布的光波间的干涉可以形成全息图样和散斑图样。不同频率光波间的干涉会形成光学拍频，空间域内的拍频分布构成光拍图形。1光电干涉测量技术 各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部几何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、运动方向和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。在这种变换过程中，光波作为物质的载体，载荷了待测信息及其变化，表现出随时间和空间改变的外观特性。利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，最后解算出被测几何和物理参量的技术统称作光电干涉测量技术。随着现代光学技术和光电技术的发展，光电干涉技术以其巨大的生命力在信息科学中崭露头角，并取得了较大的发展。从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待测信息对光频载波的调制和解调的过程。各种类型的干涉仪器或干涉装置是光频波的调制器和解调器。我们用最常见的干涉仪来说明这个模型。图7-30所示为它的结构配制和信息流程。就其信息传递的实质而言，实际的干涉仪结构和工作过程可以用下列方式描述。干涉仪中的激光源是相干光载波的信号发生器，它产生振幅为A，频率为 ，初相位为 的载波信号，用 表示。干涉仪中用激光为相干光载波，它的振幅为A，频率为f，初相位为的载波信号，用 表示。载波信号分为二路引入干涉仪。在测量臂中 受到待测位移信号 的相位调制。形成 的调相信号。待测信息为运动速度 。产生的调频信号为 这样测量臂起到信号调制器的作用。ro图样（在测位移情况下）或确定光拍频率（在测速情况下）的输出信号。已调制光频波在干涉物上和来自参考臂的参考光波相干涉，呈现出具有稳定的干涉 这个信号消除了光频载波的影响，以干涉条纹的相位分布或光拍的时间性变化表征出被测量的变化。因此这被看作是光学解调制的过程。干涉测量的调制和解调过程可以是时间性的，也可以是空间性的。根据调制的方式不同，形成了各种类型的光学图样。这种以光波的时空相干性为基础，受被测信息调制的光波时空变换称作相干光学信息。它的形成和检测过程就是光载波受待测信息调制和已调制光波解调再现为信息的过程。根据相干光学信息的时空状态和调制方式，可以分为：局部空间的一维时间调制的光信号和在二维空间内时间或空间调制光信号。n2 单频光相干的条纹检测（3）干涉条纹跟踪法干涉条纹跟踪法为平衡测量的方法。在干涉仪测量镜位置变化时，通过光电器件实时地检测出干涉条纹的变化。同时利用控制系统使参考镜沿相应方向移动，以维持干涉条纹保持静止不动。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可以直接得到测量镜的位移。图7-34所示为利用这种原理测量微小位移的干涉测量装置。这种方法能避免干涉测量的非线性的影响，并且不需要精确的相位测量装置。但是所用跟踪系统的固有惯性限制了测量的速度，只能测量10kHz以下的位移变化。n7.4.2 衍射方法的光电信息变换衍射方法的光电信息变换 1、夫琅和费单缝衍射夫琅和费单缝衍射 氦氖激光器发出的单色平行光垂直照射在宽为b的狭缝AB上，经透镜在其焦平面处的屏幕上形成夫琅和费衍射图样。若衍射角为 的一束平行光经透镜聚焦在屏幕上的P点，如图7-43所示，图中AC垂直BC，因此衍射角为的光线从狭缝A、B两边到达P点的光程差，即它们的两条边缘光线之间的光程差为（7-72）P点干涉条纹的亮暗由BC值决定，用数学式表示如下：（7-73）式中的号表示亮暗条纹分布于零级亮条纹的两侧；相应为第一级，第二级，等亮（或暗）条纹。中央零级亮条纹最亮最宽，为其它亮条纹宽度的二倍。两侧亮条纹的亮度随级数增大而逐渐减小，它们的位置可近似地认为是等距分布的，暗点等距分布在中心两点的两侧。当狭缝宽度b变小时，衍射条纹将对称于中心亮点向两边扩展，条纹间距增大。激光衍射图样明亮清晰，衍射级次可以很高。若屏幕离开狭缝的距离L远大于狭缝宽度b时，将透镜取掉，仍可以在屏幕上得到垂直于缝宽方向的亮暗相间的夫琅和费衍射图样。由于 角很小。因此由图7-43和式（7-73）可得式中，为从 0算起的暗点数，为第K级暗点到中心亮纹之间的间距，为激光的波长，（7-74）为相邻两点的间隔。图7-44所示为距离屏幕的距离L为1m处，不同狭缝宽度b所形成的衍射图样。由于b值的微小变化将引起条纹位置和间隔的明显变化，因此可以用目测或照相记录或光电的方法测量出条纹间距，从而求得b值或其变化量。利用物体的微小间隔、位移或振动等代替狭缝或狭缝的一边，则可测量物体的微小间隔、位移或振动等。n2 夫琅和费细丝衍射 夫琅和费单缝激光衍射传感器的误差由L、的测量精度决定。被测狭缝宽度b一般为0.010.5mm。如图7-45所示，由氦氖激光器发出的激光束照射细丝（被测物）时，其衍射效应和狭缝一样，在屏幕（在焦距为f的透镜的焦平面处）上形成夫琅和费衍射图样。与上同理，相邻两暗点或亮点间隔S与细丝直径d的关系为（7-75）当d变化时，各条纹位置和间距随之变化。因此可根据亮点或暗点间的距测出细丝的直径。若在屏幕位置放置线阵CCD传感器件，可以直接读出亮、暗条纹的间距，即可测出细丝的直径。测量范围约为0.010.1mm，分辨力为0.05mm，测量精度一般为0.1mm，也可高达0.05mm。3.应用举例应用举例 利用激光衍射传感器可以测量微小间隔（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。（2）激光衍射振幅测量仪）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。激光射入基准棱和被测物组成的狭缝，在p处产生衍射图样。设狭缝的初始宽度为b、光电器件置于第k（一般取2或3）级条纹的暗点处，距零级中心线为xk，xk=kL/b。当被测物作简谐振动时，振动方程为x=XMsint，则狭缝宽度变为b=XMsint，衍射条纹位置和间隔相应变化，根据式（7-75）可得(7-76)因此，为 的函数。由于光电器件的位置固定，即 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 n7.5.1 调制的基本原理与类型 1.载波与调制载波与调制在许多情况下人为地使载波光通量随时间或空间变化，形成多变量的载波信号。然后，再使其特征参数随被测信息而改变。使它对已随时间调制的光通量特征参数再进行调制，也称为二次调制。使光载波参数按确定的时间或空间规律变换似乎增加了信号的复杂性，但是，它有助于信息传输过程中信号处理和传输能力的提高，能更好地从背景噪声和干扰中分离出有用的信号，提高信噪比和测量灵敏度。此外，调制信号还能简化检测系统的结构，改善系统的工作品质，扩大目标定位系统的视场和搜索范围。n2.光电信息调制的分类 因此，调制技术是光电检测系统中常用的方法。在辐射源或光路系统中进行光通量调制的装置称为调制器。从已调制信号中分离并提取出有用的信息，即恢复原始信息的过程称为解调。光学调制按时空状态和载波性质可分为以下几种类型。（1）按时空状态分类时间调制：载波随时间和信息变化。空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制。时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。n3.典型的调制方法(2)按载波波形和调制方式分类直流载波：不随时间而只随信息变化的调制；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。光通量的调制可以在辐射源或光路系统中进行，能实现调制作用的装置称作调制器。从己调制信号中分离或提取有用信息的过程称作解调。(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0为光通量的直流分量，一般不载荷任何信息；m和为载波交变分量的振幅和频率。由于光载波不可能是负值，所以载波的交变分量总是叠加在直流分量之上，被测信息可以对交流分量的振幅、频率或者初相位等参数进行调制，使之随信息变化。一般情况下，调制后的载波信号的形式为式中，V（t）为由被测信息决定的调制函数，根据调制参量的不同可以分为：振幅调制（AM）：调制参量为；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。（7-77）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，若式（7-77）中的 为（7-78）则式（7-78）变成式中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，并且（7-79）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。如图7-48（a）所示为按单一谐波规律变化的被传送信息，式中，为被测信息的谐波角频率；F、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 的初始相位=0时，被调制的载波信号为（7-80）相应的波形图如图7-48(c)所示。将式(7-80)用数学三角公式展开，得到调幅波的频谱（7-81）相应的频谱如图7-48(d)所示。可见，正弦调制函数的调幅信号除了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。对于频谱分布在F0F（=2F0）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f0F1；f0F2；f0F。式中F1，F2均为F内的频谱分量；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f0Fmax，带宽为Bm=2 Fmax，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。如若载波频率为f0=10kHz，调制信号频率为F0500Hz，则调幅后的载波频谱分布在fL（100.5）kHz9.5kHz和fH（100.5）kHz10.5kHz之间，也就是调幅波的带宽为Bm=1kHz。因此，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。频率调制频率调制是指载波的频率按调制信号的幅度改变，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。式（7-77）中的调制项为（7-82）式中V（t）为调制函数，规定 ；是载波频率相对于中心频率f 的最大频率偏差，简称频偏。0当时，载波频率的变化最大，为 。将式（7-82）代入式(7-77)中得（7-83）若有余弦调制函数的情况，即 ，式中 为调制角频率。则式(7-83)可写成式中为频率调制指数。为偏频，F为调制频率。m 表示单位调制频率引起偏频变化的大小。在设计时确定。f当 时称为宽带调频，时称为窄带调频。调频信号的波形如图7-49所示。图7-49（a）所示为调频信号的波形，图7-49（b）所示为调频信号的频谱。将式（7-84）展开（7-85）在窄带调频的情况下，式(7-85)中的（7-84），；则式（7-84）可写成（7-86）频谱的基波频率为 ，组合频率为 和 。一般情况下，调制信号形式比较复杂时，频谱是以载波频率为中心的一个带宽域，带宽因 而异。窄带调频时的带宽为 ，宽带调频时的带宽为 。例如，对光通量调频，若F=300Hz，则当 =40时=24.6kHz=4时=3kHz=0.4时=0.86kHz光辐射调频不但可以对交变的光通量进行，而且可以对光频振荡进行调频。例如可以对激光器进行调频以便得到中心载波频率为f0=51014Hz、调制频率fmax=44MHz的频率调制，相对频偏为910-8。相位调制 相位调制为载波的相位角随着调制信号的变化而变化的调制。调频和调相两种调制波最终都表现为总相角的变化。相位调制是式（7-77）中的相位角随调制信号的变化规律而变化，调相波的总相位角为则调相波可写为（7-87）（7-88）式中 为相位比例系数，c为相位角。(2)脉冲调制以上几种调制方式所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调制，可以得到连续的脉冲载波。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)编码调制编码调制把模拟信号先变成序列脉冲，再变成代表信号信息的二进制编码，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。将连续信号分割成不连续脉冲的过程称为采样，序列脉冲的幅度与信号的幅度相对应。根据采样定理，只要采样频率比所传递信号的最高频率大两倍以上，就能够恢复原信号。将采样后的调幅脉冲进行分级、取“整”处理的过程称为量化，它用有限个数代表采样值的大小。将量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程称为编码。编码调制方式具有很强的抗干扰能力，在数字通信中得到广泛的应用。(4)其它参量调制 能够表征光波的几何或物理特性的参量除光强、变化频率和相位之外还有许多其他的参量，比如光传输中偏振方向和传播方向等，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。例如糖溶液或松节油可使通过该溶液偏振光的偏振面转角，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，即（7-89）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。n7.5.3 调制信号的解调 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max。从已调制信号中分离出有用信息的过程称为解调，所以也称作检波，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 解调是将调制信号从载波中分离出来。显然，这个信号的变换过程为非线性过程，需要利用非线性元件来完成。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工作。图7-57所示的检波电路由检波二极管D、负载电阻R和滤波电容C构成。当如图7-58所示的调幅波Uin（如图7-58(a)所示）送入到检波电路输入端时，经二极管检波器输出如图7-58(b)所示的半波整流信号。即半波整流的输出电压为（7-91）(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（7-92）式中m为调制度；为调制频率；为载波频率。代入式(7-91)；并用傅里叶级数展开，得（7-93）除去高次谐波后，得到调幅信号。（7-94）n2相敏检波n(1)相敏检波和同步解调 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，应该对载波的相位敏感，检波器的输出电压应反映出相位的变化。相应解调器的工作特性如图7-59所示。在另外的情况下，对于有些调幅信号，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的相位正反表示变量的极性。显然为处理这种调幅信号也需要有对相位敏感的解调方法。这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同步检相，它的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。这里，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。设设载载波波受受单单一一频频率率谐谐波波调调幅幅，其其调调幅幅信信号号U U为为 ，用用 做做 相相 位位 比比 较较 的的 参参 考考 信信 号号 为为 ，式式中中，两两信信号号间间的的相相位位差差可可以以作作为为变变量量。为为简简单单起起见见，设设 。解解调调器器的的输输出出信信号号Uo为为调调幅幅信信号号U与与参参考考Uc乘积，即乘积，即（7-95）式(7-95)表明，乘法器的输出信号包括 、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（=）信号幅度最高，为 。而高频 与 信号幅度较低，为 。与当时，用低通滤波器可以滤除式(7-95)中的高频项，使得相敏检波器的最终输出为（7-96）式式(7-96)(7-96)表明表明相相敏敏检检波波器器能能够够消消除除高高次次谐谐波波的的影影响响，使使输输出出信信号号幅幅度度与与载载波波信信号号的的幅幅度度成成正正比比。因因此此能能够够解解调调或或再再现出调幅信号；现出调幅信号；相相敏敏检检波波器器的的输输出出信信号号与与载载波波和和参参考考信信号号之之间间的