80相干检测解析
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＝A(x,y){1+γ(x,y)cos[Δωt+φ(x,y)]}
式中，A(x,y)＝a21+a22是条纹的光强直流分量， γ(x,y)＝2a1a2/(a21+a22)是条纹的对比度， Δω＝ω1-ω2是光频差， φ(x,y)＝φ1(x,y)-φ2(x,y)是相位差。
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相干检测
当二光束光频相同即单频光相干时，有 ω1＝ω2或Δω＝0，此时干涉条纹不随时 间改变，呈稳定的空间分布，上式变成
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相干检测
干涉仪是光学调制器和解调器的组合 a) 原理示意图 b) 等效方框图
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相干检测
以最常见的迈克尔逊干涉仪来说明干涉仪是光学调制器和解调器的组合。
干涉仪中的单色光源是相干光载波的信号发生器，它产生振幅为a0，频率为ν0， 初相位为φ0的光载波信号，用U0(a0,ν0,φ0)表示，载波信号分两路引入干涉仪。 在参考光路中光载波作为基准保持其原有的参量。在测量光路中，U0(a0,ν0,φ0) 受到被测信号的调制。如果被测信号是位移δ(x)，则引起光频载波的相位变化 Δφ，称作相位调制，形成Us(a0,ν0,φ0±Δφ)的调相信号。若被测信号是运动 速度υ(t)，则引起光频载波的频率偏移Δν，称作频率调制，产生 Us(a0,ν0±Δν,φ0)的调频信号。 已调制的光频波在干涉面上和来自参考光路的参考光波重新合成，形成具有稳
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相干检测
当两光束频率不同时，由于光频率约1015Hz，而目前光电检 测器件的频率响应不超过1010Hz，因此对频率相差较大的二束相 干光，将观察不到干涉的交流分量，但频差较小的二束双频光相 干，检测器可检测到干涉条纹以Δω的角频率在波动，形成了光 学拍频信号。这就是外差干涉现象。采用电信号处理器可以直接 测量光拍信号的各种参量，从而能以极高的灵敏度测量出相干光 束本身的特征参量，形成了新型的外差检测技术。
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光学干涉和相干光信息分类 外差探测 相干光的相位调制和检测 相干光的频率调制和检测Βιβλιοθήκη 相干检测南京理工大学 何勇
光学干涉和相干光信息分类
1．光学干涉和干涉测量
相干检测
利用相干光作信息传输或检测，需要将被测信息载荷到光载波上，使光载 波的特征参量随被测信息变化。但是由于光波波动频率很高，到目前为止各 类光探测器尚不能直接感知光波本身的振幅、相位、频率、偏振的变化。所 以在大多数情况下要利用光的干涉现象将这些特征参量转化为光强度的变化 或转化为光探测器能敏感的较低频率的光电载波信号。因此各类型的光干涉 现象是利用光波传输信息的基础。所谓光干涉是指可能相干的二束或多束光 波相重叠，它们的合成光波随时间的相位关系表现出不同的光强度空间分布 或时序变化的现象。干涉测量的基本作用在于把光波的相位关系或频率状态 以及它们随时间的变化以光强度空间分布或光强度随时间变化的形式检测出 来，这个作用有时称作相幅变换。
I(x,y)＝A(x,y){1+γ(x,y)cos[φ(x,y)]}
表明单一频率双光束干涉时，随着相 位差的变化，干涉条纹强度的分布表 现为有偏置的正弦分布如下图a所示。 以此为基础的干涉测量形成了干涉条 纹检测技术。图b为多光束干涉时的 条纹光强分布
单频光束干涉条纹的强度分布 a) 双光束干涉 b) 多光束干涉
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2．干涉测量中的调制和解调
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是被测信息对光频载波的调 制和解调的过程。各种类型的干涉仪或干涉装置是光频载波的调制器和解 调器。所谓光调制是将一个携带信息的信号叠加到光载波上。能完成这一 调制作用的装置称作光调制器。光调制器能使光载波的特征参量如振幅、 相位、频率、偏振、波谱分布等随被测信号的变化而改变。相对应的光调 制技术分为光振幅调制（AM）、相位调制（PM）、频率调制（FM）、 偏振调制（POM）和光波谱调制（SM）。解调是调制的相反过程，它能 从被调制的光载波中以与被测参量成比例的光强信号或电信号形式检测出 被测参量。解调器可以是光学的、电子的或光电混合的。
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绪论
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相干检测
各种干涉现象都是以光波为基础的信号变换过程。作为实际的载体，光波载荷 了被测信息，它的特征参量与被处理的长度、距离、角度、面形、微位移、运动 方向和速度、传输介质物理属性等信息存在着严格的内在联系，表现出随时间和 空间变化的外观特性。利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，最 终解算出被测几何参量和物理参量的技术统称作光电干涉测量技术。随着现代光 学和光电子技术的发展，光电干涉技术以其潜在的生命力在信息科学中崭露头角， 取得了长足的进展。本章将介绍几种物理变换的光电方法，着重讨论相干光信息 的调制和检测技术。
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相干检测
以双光束干涉为例，设二相干波面波振幅U1(x,y)和U2(x,y)分别为 U1(x,y)＝a1exp{-j[ω1t+φ1(x,y)]} U2(x,y)＝a2exp{-j[ω2t+φ2(x,y)]} 式中，a1、a2为光波的振幅，ω1、ω2为角频率，φ1、φ2为初始相位。 当它们合成时，所形成干涉条纹的强度分布I(x,y)可表示成 I(x,y)＝a21+a22+2a1a2cos[Δωt+φ(x,y)]
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相干检测
条纹干涉强度取决于相干光的相位差
Δφ＝(2π/λ)(LΔn+nΔL) 表明光传播介质折射率和光程长度的变化都将导致相干光相位的变化，从而 引起干涉强度的改变。这一性质被用于改变光载波的特征参量，以形成各种 光学信息。实际上有许多参量能造成光程差的改变，例如几何距离、位移、 速度、温度引起的热膨胀等会引起传播距离的改变；介质的成份、密度、影 响密度的温度、压力以及电场、磁场、介质的电光和磁光效应、应力引起的 光弹效应等都能引起折射率的变化。从物体表面反射光波的波面分布可以确 定物体的形状。因此，从这个意义上讲光学干涉技术是一种能检测非光学参 量的传感技术。能形成干涉现象的装置是干涉仪，它的主要机能是将光束分 割成两个不同的支路，由外屏引入光程差后再重新合成借以观测干涉现象
式中，A(x,y)＝a21+a22是条纹的光强直流分量， γ(x,y)＝2a1a2/(a21+a22)是条纹的对比度， Δω＝ω1-ω2是光频差， φ(x,y)＝φ1(x,y)-φ2(x,y)是相位差。
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当二光束光频相同即单频光相干时，有 ω1＝ω2或Δω＝0，此时干涉条纹不随时 间改变，呈稳定的空间分布，上式变成
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干涉仪是光学调制器和解调器的组合 a) 原理示意图 b) 等效方框图
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相干检测
以最常见的迈克尔逊干涉仪来说明干涉仪是光学调制器和解调器的组合。
干涉仪中的单色光源是相干光载波的信号发生器，它产生振幅为a0，频率为ν0， 初相位为φ0的光载波信号，用U0(a0,ν0,φ0)表示，载波信号分两路引入干涉仪。 在参考光路中光载波作为基准保持其原有的参量。在测量光路中，U0(a0,ν0,φ0) 受到被测信号的调制。如果被测信号是位移δ(x)，则引起光频载波的相位变化 Δφ，称作相位调制，形成Us(a0,ν0,φ0±Δφ)的调相信号。若被测信号是运动 速度υ(t)，则引起光频载波的频率偏移Δν，称作频率调制，产生 Us(a0,ν0±Δν,φ0)的调频信号。 已调制的光频波在干涉面上和来自参考光路的参考光波重新合成，形成具有稳
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当两光束频率不同时，由于光频率约1015Hz，而目前光电检 测器件的频率响应不超过1010Hz，因此对频率相差较大的二束相 干光，将观察不到干涉的交流分量，但频差较小的二束双频光相 干，检测器可检测到干涉条纹以Δω的角频率在波动，形成了光 学拍频信号。这就是外差干涉现象。采用电信号处理器可以直接 测量光拍信号的各种参量，从而能以极高的灵敏度测量出相干光 束本身的特征参量，形成了新型的外差检测技术。
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光学干涉和相干光信息分类
1．光学干涉和干涉测量
相干检测
利用相干光作信息传输或检测，需要将被测信息载荷到光载波上，使光载 波的特征参量随被测信息变化。但是由于光波波动频率很高，到目前为止各 类光探测器尚不能直接感知光波本身的振幅、相位、频率、偏振的变化。所 以在大多数情况下要利用光的干涉现象将这些特征参量转化为光强度的变化 或转化为光探测器能敏感的较低频率的光电载波信号。因此各类型的光干涉 现象是利用光波传输信息的基础。所谓光干涉是指可能相干的二束或多束光 波相重叠，它们的合成光波随时间的相位关系表现出不同的光强度空间分布 或时序变化的现象。干涉测量的基本作用在于把光波的相位关系或频率状态 以及它们随时间的变化以光强度空间分布或光强度随时间变化的形式检测出 来，这个作用有时称作相幅变换。
I(x,y)＝A(x,y){1+γ(x,y)cos[φ(x,y)]}
表明单一频率双光束干涉时，随着相 位差的变化，干涉条纹强度的分布表 现为有偏置的正弦分布如下图a所示。 以此为基础的干涉测量形成了干涉条 纹检测技术。图b为多光束干涉时的 条纹光强分布
单频光束干涉条纹的强度分布 a) 双光束干涉 b) 多光束干涉
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2．干涉测量中的调制和解调
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是被测信息对光频载波的调 制和解调的过程。各种类型的干涉仪或干涉装置是光频载波的调制器和解 调器。所谓光调制是将一个携带信息的信号叠加到光载波上。能完成这一 调制作用的装置称作光调制器。光调制器能使光载波的特征参量如振幅、 相位、频率、偏振、波谱分布等随被测信号的变化而改变。相对应的光调 制技术分为光振幅调制（AM）、相位调制（PM）、频率调制（FM）、 偏振调制（POM）和光波谱调制（SM）。解调是调制的相反过程，它能 从被调制的光载波中以与被测参量成比例的光强信号或电信号形式检测出 被测参量。解调器可以是光学的、电子的或光电混合的。
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各种干涉现象都是以光波为基础的信号变换过程。作为实际的载体，光波载荷 了被测信息，它的特征参量与被处理的长度、距离、角度、面形、微位移、运动 方向和速度、传输介质物理属性等信息存在着严格的内在联系，表现出随时间和 空间变化的外观特性。利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，最 终解算出被测几何参量和物理参量的技术统称作光电干涉测量技术。随着现代光 学和光电子技术的发展，光电干涉技术以其潜在的生命力在信息科学中崭露头角， 取得了长足的进展。本章将介绍几种物理变换的光电方法，着重讨论相干光信息 的调制和检测技术。
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以双光束干涉为例，设二相干波面波振幅U1(x,y)和U2(x,y)分别为 U1(x,y)＝a1exp{-j[ω1t+φ1(x,y)]} U2(x,y)＝a2exp{-j[ω2t+φ2(x,y)]} 式中，a1、a2为光波的振幅，ω1、ω2为角频率，φ1、φ2为初始相位。 当它们合成时，所形成干涉条纹的强度分布I(x,y)可表示成 I(x,y)＝a21+a22+2a1a2cos[Δωt+φ(x,y)]
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条纹干涉强度取决于相干光的相位差
Δφ＝(2π/λ)(LΔn+nΔL) 表明光传播介质折射率和光程长度的变化都将导致相干光相位的变化，从而 引起干涉强度的改变。这一性质被用于改变光载波的特征参量，以形成各种 光学信息。实际上有许多参量能造成光程差的改变，例如几何距离、位移、 速度、温度引起的热膨胀等会引起传播距离的改变；介质的成份、密度、影 响密度的温度、压力以及电场、磁场、介质的电光和磁光效应、应力引起的 光弹效应等都能引起折射率的变化。从物体表面反射光波的波面分布可以确 定物体的形状。因此，从这个意义上讲光学干涉技术是一种能检测非光学参 量的传感技术。能形成干涉现象的装置是干涉仪，它的主要机能是将光束分 割成两个不同的支路，由外屏引入光程差后再重新合成借以观测干涉现象