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引言：

光學干涉在科學研究和現代科技發(fā)展過程中有著重要影響。歷史上，光學干涉對于建立光的波動特性理論發(fā)揮了重要作用。當下，光學干涉仍然在諸如光譜學和計算學等諸多領域扮演著重要角色。其中相干探測技術在雷達以及光學領域發(fā)揮著重要作用。對于光學相干探測的研究不僅讓我們對光的特性有了新的認識，更創(chuàng)造了一種用于精密測量的高新技術。

1、相干探測基本原理

相干探測激光雷達將對飛行時間的測量轉換為對與飛行時間成比例的差頻頻率的測量。典型的調頻連續(xù)波激光探測系統(tǒng)由信號發(fā)生子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)以及信號處理子系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 相干探測激光雷達系統(tǒng)示意圖

  圖1中調制信號發(fā)生器產生線性調頻信號（三角波、鋸齒波等）輸入激光調制電路作為激光器的調制信號，激光器發(fā)射的光分為兩路，一路作為信號光由發(fā)射系統(tǒng)打向目標，另一路輸入到接收系統(tǒng)作為本振信號。激光器調制與驅動模塊將調頻信號與激光器偏置電流疊加，形成激光器驅動電流輸入激光器。激光器將包含調制信號的驅動電流經光電轉換形成發(fā)射激光信號，使得發(fā)射的激光隨調頻信號變化。目標回波信號經接收光學系統(tǒng)將目標反射光匯聚到光電探測器上與本振光進行混頻。光電探測器將混頻信號轉換成光電流，通過對中頻信號的進一步分析與處理，解算探測系統(tǒng)與目標之間的距離。

  由上述分析可知，相干探測激光雷達探測系統(tǒng)通過對發(fā)射和接收的激光調頻信號混頻后的中頻信號的頻率測量確定目標距離信息，因此，相干探測激光探測系統(tǒng)從調制信號產生到中頻信號采集處理要經過激光器光強調制、激光空間傳輸、目標散射與光電探測器接收和混頻四個過程，如圖2所示。

圖2 信號轉換流程

2、相干理論

假設本振光和信號光的電場分布為：

E_L (t)=A_L exp?[i(ω_L t+φ_L)]                     （2.1）

E_S (t)=A_S exp?[i(ω_S t+φ_S)]                     （2.2）

則在光電探測器光敏面上相干之后的總電場為：

E(t)=E_L (t)+E_S (t)                                 

     =A_L  exp?[i(ω_L t+φ_L )]+A_S exp?[i(ω_S t+φ_S)] （2.3）

在非磁性材料中，一束光的功率為：P_L (t)=ε/16π E(t) E^* (t)，其中ε表示傳播介質的介電常數，*表示共軛。結合光電探測器的響應系數，定義響應系數為α=qη/hν  ε/16π。則光電探測器光敏面上產生的光電流為：

i_L (t)=〖αP〗_L (t)                                      

         =〖αE〗_L (t) 〖E_L〗^* (t)                                 

         =αA_L^2  exp?[i(ω_L t+φ_L )]  exp?[-i(ω_L t+φ_L )]         

         =αA_L^2                                  （2.4）

同理，可以得到：

i_S (t)=αA_s^2                         （2.5）

那么本振光和信號光相干之后的總響應電流為：

i(t)=αP(t)  

    =αE(t) E^* (t) 

                    =α〖[E〗_L (t)+E_S (t)]〖〖[E〗_L (t)+E_S (t)]〗^*

                      =α〖{A〗_L  exp?[i(ω_L t+φ_L )]+A_S exp?[i(ω_S+φ_S)]} 〖{A〗_L

                    〖exp?[i(ω_L t+φ_L )]+A_S exp?[i(ω_S t+φ_S)]}〗^*       

                                           =α〖(A〗_L^2+A_s^2)+2αA_L A_S cos(Δωt+Δφ)    （2.6）

式中Δω=ω_L-ω_S，為本振光與信號光的頻差；

Δφ=φ_L-φ_S，為本振光與信號光的相位差。

將式（2.4）與式（2.5）電流與光強的關系帶入式（2.6）得：

i(t)=i_L (t)+i_S (t)+2√(i_L (t) i_S (t) ) cos(Δωt+Δφ)   （2.7）

式中2√(i_L (t) i_S (t) ) cos(Δωt+Δφ)即為中頻電流項，由此便得到了中頻電流、本振光、信號光與探測器上產生的電流的關系。

在相干探測系統(tǒng)中，對激光光源的要求也比較高。要使本振光和信號光產生差頻，光源就要進行頻率調制，要想本振光與信號光在傳播一段距離后相干光源的線寬要求就要很窄。頻率調制的方式有很多，表1中主要列出了三角波和鋸齒波調制測距原理。

表1

3、優(yōu)勢及應用前景

相干探測技術將微波雷達中調頻測距的探測精度高、探測信息豐富、功率低、距離選通方便等特點與激光傳輸的優(yōu)點相結合，有效解決了調頻連續(xù)波無線電探測抗電磁干擾特別是人工有源干擾能力差的問題，而且由于采用光載波，可加載更大帶寬的調制信號，可以獲得比調頻無線電探測技術更好的距離分辨能力。此外，采用調頻測距體制，還可以有效降低傳輸過程中因信號畸變導致的測距誤差，因此調頻連續(xù)波可廣泛應用于地空、空空、空地及反艦導彈引信中。尤其是該探測體制具有多目標探測及成像潛力，因此，在空間目標近距離探測、識別與跟蹤等領域具有廣闊的應用前景。與其他體制激光探測技術相比相干探測激光雷達具有明顯的優(yōu)勢：

（1）抗干擾能力強。相關接收，對人為、背景光干擾不敏感；

（2）不存在探測盲區(qū)。理論上可以實現任意近距離測量；

（3）探測精度高。近距離探測時，精度為厘米至毫米量級；

（4）測距速度快?？梢钥s短調頻周期，提高測距速度，速度一般在千赫茲以上；

（5）支持多信息探測。相干探測不僅可以測距還可以測速，因此可以用于相對運動速度較高的目標測距。

由于有望在軍事上和商業(yè)上具有實用性和經濟性，相干探測激光雷達受到各國關注，并逐步挖掘其應用潛力、擴大其應用范圍。目前，該技術已從最初的陸軍戰(zhàn)場應用，擴展到空間操控、飛行器著陸、空中飛機避障、高速路面平整度的檢測、車輛自動避撞、港口的交通管理等，若使用大于1.4微米的人眼安全波段，則更適合民用，甚至在商業(yè)上也有很大的應用潛力。