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引言：

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

1、相干探測基本原理

相干探測激光雷達(dá)將對飛行時(shí)間的測量轉(zhuǎn)換為對與飛行時(shí)間成比例的差頻頻率的測量。典型的調(diào)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(dá)系統(tǒng)示意圖

  圖1中調(diào)制信號發(fā)生器產(chǎn)生線性調(diào)頻信號（三角波、鋸齒波等）輸入激光調(diào)制電路作為激光器的調(diào)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(biāo)，另一路輸入到接收系統(tǒng)作為本振信號。激光器調(diào)制與驅(qū)動模塊將調(diào)頻信號與激光器偏置電流疊加，形成激光器驅(qū)動電流輸入激光器。激光器將包含調(diào)制信號的驅(qū)動電流經(jīng)光電轉(zhuǎn)換形成發(fā)射激光信號，使得發(fā)射的激光隨調(diào)頻信號變化。目標(biāo)回波信號經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)反射光匯聚到光電探測器上與本振光進(jìn)行混頻。光電探測器將混頻信號轉(zhuǎn)換成光電流，通過對中頻信號的進(jìn)一步分析與處理，解算探測系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離。

  由上述分析可知，相干探測激光雷達(dá)探測系統(tǒng)通過對發(fā)射和接收的激光調(diào)頻信號混頻后的中頻信號的頻率測量確定目標(biāo)距離信息，因此，相干探測激光探測系統(tǒng)從調(diào)制信號產(chǎn)生到中頻信號采集處理要經(jīng)過激光器光強(qiáng)調(diào)制、激光空間傳輸、目標(biāo)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(zhuǎn)換流程

2、相干理論

假設(shè)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(zhì)的介電常數(shù)，*表示共軛。結(jié)合光電探測器的響應(yīng)系數(shù)，定義響應(yīng)系數(shù)為α=qη/hν  ε/16π。則光電探測器光敏面上產(chǎn)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(yīng)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(qiáng)的關(guān)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(xiàng)，由此便得到了中頻電流、本振光、信號光與探測器上產(chǎn)生的電流的關(guān)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(chǎn)生差頻，光源就要進(jìn)行頻率調(diào)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(diào)制的方式有很多，表1中主要列出了三角波和鋸齒波調(diào)制測距原理。

表1

3、優(yōu)勢及應(yīng)用前景

相干探測技術(shù)將微波雷達(dá)中調(diào)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(diǎn)與激光傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)相結(jié)合，有效解決了調(diào)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(diào)制信號，可以獲得比調(diào)頻無線電探測技術(shù)更好的距離分辨能力。此外，采用調(diào)頻測距體制，還可以有效降低傳輸過程中因信號畸變導(dǎo)致的測距誤差，因此調(diào)頻連續(xù)波可廣泛應(yīng)用于地空、空空、空地及反艦導(dǎo)彈引信中。尤其是該探測體制具有多目標(biāo)探測及成像潛力，因此，在空間目標(biāo)近距離探測、識別與跟蹤等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與其他體制激光探測技術(shù)相比相干探測激光雷達(dá)具有明顯的優(yōu)勢：

（1）抗干擾能力強(qiáng)。相關(guān)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(shí)現(xiàn)任意近距離測量；

（3）探測精度高。近距離探測時(shí)，精度為厘米至毫米量級；

（4）測距速度快。可以縮短調(diào)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(yùn)動速度較高的目標(biāo)測距。

由于有望在軍事上和商業(yè)上具有實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，相干探測激光雷達(dá)受到各國關(guān)注，并逐步挖掘其應(yīng)用潛力、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。目前，該技術(shù)已從最初的陸軍戰(zhàn)場應(yīng)用，擴(kuò)展到空間操控、飛行器著陸、空中飛機(jī)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(yīng)用潛力。