近年来相干激光雷达凭借其在微弱回波信号高灵敏度探测能力优势,已在测风、战场侦查、弱小目标探测等领域有广泛应用。与直接探测相比,其探测灵敏度约高1-2个数量级,能先天抑制背景噪声,一直是国际研究热点。本论文围绕脉冲外差相干激光成像雷达微弱回波信号检测提取展开研究,分别从时域和频域两个方面研究回波信号检测能力和适用范围,对实际相干激光雷达信息处理应用起到理论指导作用。首先,通过对比分析脉冲外差相干激光雷达信号检测提取方法,设计了基于时频域变换的脉冲外差回波信号检测提取总体方案,重点研究外差回波噪声抑制和傅里叶变换提取差频信号方法,确立了信号检测评价指标体系。其次,为了验证和评估时频信号检测提取方法,设计和建立了脉冲外差激光雷达仿真系统模型,能获得与实际脉冲外差信号特性一致的仿真回波波形,在此基础上评估了时域峰值法、频域FFT和小波噪声抑制等方法,经仿真实验验证,在信噪比为6d B时,频域处理算法可以使系统探测概率比在时域处理高出近19%,目标还原度要比时域处理高出14.25%;在高噪比为12d B时,频域处理算法可以使系统探测概率比在时域处理高出近25%,频域处理下的目标还原度要比时域处理高出20.37%。最后,设计和搭建了脉冲外差激光成像雷达实验系统,获得近场目标脉冲外差相干激光雷达强度像和距离像,用真实激光回波数据验证和评估本文提出的方法,实验结果表明:在未对回波信号去噪的情况下,加窗补零FFT算法得到的目标还原度比时域峰值法高出了近14%,加窗FFT峰值算法比时域峰值法高出了近37%;在对回波信号去噪的情况下,加窗补零FFT算法得到的目标还原度比时域峰值算法高出了近30%,加窗FFT峰值算法比时域峰值算法高出近36%;同时,频域处理方法得到的系统探测概率比时域处理获得的高出近20%。