光外差探测是公认的具有量子探测极限本领的相干探测体制,可以实现对回波信号振幅、频率和相位携带信息的全息探测,在微弱信号探测方面,具有直接探测不可比拟的优点,广泛应用于激光雷达、相干光通信、遥感、工业超精密测量以及激光多普勒测振、测距和测速等众多领域。然而,光外差探测实现条件非常苛刻,除了波前匹配、波矢匹配、模式匹配外,实际应用中,目标表面的粗糙特性也会严重影响回波外差探测效率。本文针对这一问题主要展开以下研究。1.对于光波来说,实际目标基本上都是粗糙的,目标表面粗糙程度的量化,对于定量分析粗糙目标对光外差探测的影响至关重要。通过蒙特卡罗方法,建立高斯型一维、二维随机粗糙面模型,以高度起伏均方根代表粗糙表面的“纵向”变化,以相关长度代表粗糙表面的“横向”变化,对实际粗糙目标表面形貌进行仿真,研究目标表面粗糙程度与这两个参数之间的关系,为粗糙目标光外差性能理论分析奠定基础。2.以蒙特卡罗方法建立的高斯随机粗糙面模型作为目标,对光外差探测系统中信号光回波波前进行一维和二维仿真,对粗糙目标光外差探测中,信号光和本振光波前匹配恶化的现象进行说明。最后,使用波前分析仪,对光外差系统中光源波前、本振光波前、光滑目标信号光波前和粗糙目标信号光波前进行测量,实际测量结果与仿真结果一致,验证信号光波前受粗糙目标表面调制,畸变严重。3.为了深入研究粗糙目标表面引起的“退相干”效应,通过蒙特卡罗方法建立的高斯随机粗糙面目标,对目标回波信号的探测过程进行仿真,研究目标表面粗糙对中频信号的影响,给出归一化中频电流在探测器光敏面上的一维和二维分布。此外,设计了粗糙面和光滑面两组光外差探测实验,验证目标粗糙对中频电流严重的“退相干”效应。实验结果充分说明了理论分析结论。4.由于不同目标,表面粗糙程度不同,对信号光波前的调制效应也不同,实际的“退相干”效应也不同。针对这一问题,通过粗糙面的蒙特卡罗模型,研究了目标回波光外差信号与目标粗糙程度参数——均方根高度及相关长度的相互关联。通过对大量不同粗糙程度目标光外差信号的数值仿真,给出了光外差信号与均方根高度及相关长度的定量关系曲线。最后,使用粗糙度比较样块作为目标,设计光外差实验,验证了仿真曲线。5.粗糙目标表面凹凸不平导致光外差信号随机起伏,如何准确设置探测阈值,正确判决是否存在信号成为难题。传统目标回波光外差探测使用高斯分布等简单模型来描述,这常常导致判决误差。提出一种准确获得光外差信号概率密度曲线的方法,利用多项式对实际目标测量数据进行拟合,给出较准确的概率分布曲线。通过对某装甲车表面样块多组测量数据的统计分析显示,利用多项式拟合来确定判决阈值,比起用简单的高斯分布来确定阈值,可以获得更高的检测概率和更低的误警概率。研究表明:对实测中频信号的统计直方图进行多项式拟合的方法,有利于精确设置探测阈值,可以使检测概率提高6.02%,误警概率降低7.7%。6.目标振动特性是目标识别和激光雷达探测系统设计的关键技术,也是光外差探测技术的一个重要应用。在理论分析目标振动特性测量原理的基础上,设计了一套激光多普勒振动特性测量系统,并且成功应用于实验室内音箱振动测量和室外汽车振动特性测量,得到相应的振动谱,这套系统也可以应用于其他振动目标(如飞机、坦克、舰船等)特性的测量,对精确打击军事目标和精确制导有重要意义,为激光多普勒探测的实用和推广奠定了基础。本文工作深入分析了粗糙目标光外差探测技术及其实际应用。研究了目标表面粗糙程度对光外差探测信号的影响,给出不同粗糙程度目标导致的退相干效应变化曲线,并设计实验验证了理论分析结果。还提出了一种提高探测阈值精度的方法,以装甲车实测中频信号进行说明,证明这种方法可以有效提高检测概率。此外,在外场环境下,使用光外差探测技术成功测量了汽车振动谱。文中所取得的阶段性成果为系统设计提供定量参考,也为探测系统性能评估仿真提供依据。