激光外差探测技术是一种灵敏的光学探测方式,以其优于直接探测方式的诸多特点而广泛应用于激光雷达、激光通信、大气监测、目标探测等方面。随着研究的不断深化和扩展,激光外差探测技术正朝着远距离目标跟踪探测和近距离多普勒成像方向发展。国外Firepond和HI-CLASS等相关系统的建立及开展的一系列实验验证了激光外差方式对几千公里空间目标的跟踪探测能力,Polytec公司基于激光外差探测技术开发的一系列振动检测系统展示了激光外差探测技术在高精度非接触振动测量领域广阔的应用前景。考虑到激光外差探测技术自身的优点和国家实际应用需求,开展激光外差探测技术的研究具有重要意义。国内要实现激光外差探测技术在远程目标跟踪探测及高精度振动检测方面的应用,无论是发射光源技术、光学匹配技术,还是高频信号处理手段,都需要进行一定程度的知识储备和技术积累。为了设计实现高性能激光外差探测系统,需要进行充分的前期研究以指导外差探测系统的优化。本文通过理论分析、数值仿真及实验的方式,对激光外差探测系统光学影响因素展开深入研究,主要工作内容如下:(1)系统地介绍了激光外差探测技术基本理论、湍流理论、部分相干光理论及随机电磁光束理论,为后续研究工作的开展提供了必要的理论基础。(2)通过理论分析和数值仿真,系统分析了湍流条件下光场传输时相干性的变化特性。基于部分相干光传输分析得到的结果,深入研究了部分相干光用于外差探测时光源参数和湍流强度等因素对系统性能的影响,创新性的将湍流功率谱应用于激光外差探测系统性能的分析上,理论分析得到的表达式便于分析失配角等因素对外差探测系统性能的影响。(3)根据随机电磁光束理论,经理论推导和数值分析,研究了电磁光束在真空及湍流中传输时偏振变化的物理本质,创新性的从理论上分析了湍流条件下随机电磁光束用于外差探测时系统的性能,基于理论结果仿真分析了光源参数、湍流条件、探测器尺度等对外差探测系统性能的影响。(4)激光器产生激光时伴随着各种随机因素,这些随机因素致使激光源存在一定的线宽。本文根据统计理论,深入分析了激光线宽对激光外差探测系统探测性能的影响,讨论了不同线宽下外差探测系统输出中频信号的检测问题,并讨论了噪声对中频信号检测结果的影响。在理论分析的基础上,开展了8.1km激光外差探测外场实验,实验所得结果表明,激光线宽不是限制激光外差探测系统作用距离的决定性因素。(5)湍流的随机起伏会造成光场波前的畸变,并引起光场的闪烁、光束扩展、光束漂移等湍流效应。深入研究湍流对外差探测系统性能的影响,有助于提出方案抑制或改善大气湍流对外差探测系统性能的影响。本文基于Rytov近似理论分析了大气湍流对外差探测系统性能的影响。因湍流理论只适用于弱中湍流条件,为分析强湍流对外差探测系统性能的影响,本文借助于模拟的随机相位屏进行了仿真分析。同时,使用静态相位屏模拟大气湍流,实验研究了湍流下外差探测系统的性能表现。(6)光学系统不可避免的会存在像差,分析不同类型像差对外差探测性能的影响可以指导外差用光学系统的设计和优化。根据像差理论,系统分析了不同像差下平面波、高斯光束用于外差探测时系统的性能,所得结果表明球差、离焦对系统性能影响较大。因大气湍流和像差在本质上都是引起光场波前畸变,本文用仿真分析的方式研究了湍流条件下像差对外差探测系统性能的影响。本文从外差探测系统用激光源、光束传输环境、光学系统三个方面综合分析了激光外差探测系统存在的光学影响因素,通过理论分析、数值仿真、实验研究为激光外差探测技术的进一步发展提供了必要的技术储备。