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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(guò)程中有著重要影響。歷史上，光學(xué)干涉對(duì)于建立光的波動(dòng)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(cè)技術(shù)在雷達(dá)以及光學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。對(duì)于光學(xué)相干探測(cè)的研究不僅讓我們對(duì)光的特性有了新的認(rèn)識(shí)，更創(chuàng)造了一種用于精密測(cè)量的高新技術(shù)。

1、相干探測(cè)基本原理

相干探測(cè)激光雷達(dá)將對(duì)飛行時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)與飛行時(shí)間成比例的差頻頻率的測(cè)量。典型的調(diào)頻連續(xù)波激光探測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)以及信號(hào)處理子系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 相干探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

  圖1中調(diào)制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)（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(hào)，激光器發(fā)射的光分為兩路，一路作為信號(hào)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(hào)。激光器調(diào)制與驅(qū)動(dòng)模塊將調(diào)頻信號(hào)與激光器偏置電流疊加，形成激光器驅(qū)動(dòng)電流輸入激光器。激光器將包含調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)光電轉(zhuǎn)換形成發(fā)射激光信號(hào)，使得發(fā)射的激光隨調(diào)頻信號(hào)變化。目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)反射光匯聚到光電探測(cè)器上與本振光進(jìn)行混頻。光電探測(cè)器將混頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電流，通過(guò)對(duì)中頻信號(hào)的進(jìn)一步分析與處理，解算探測(cè)系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離。

  由上述分析可知，相干探測(cè)激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)發(fā)射和接收的激光調(diào)頻信號(hào)混頻后的中頻信號(hào)的頻率測(cè)量確定目標(biāo)距離信息，因此，相干探測(cè)激光探測(cè)系統(tǒng)從調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生到中頻信號(hào)采集處理要經(jīng)過(guò)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(cè)器接收和混頻四個(gè)過(guò)程，如圖2所示。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)換流程

2、相干理論

假設(shè)本振光和信號(hào)光的電場(chǎng)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(cè)器光敏面上相干之后的總電場(chǎng)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(cè)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(cè)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(hào)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(hào)光的頻差；

Δφ=φ_L-φ_S，為本振光與信號(hào)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(hào)光與探測(cè)器上產(chǎn)生的電流的關(guān)系。

在相干探測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)激光光源的要求也比較高。要使本振光和信號(hào)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(hào)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(cè)距原理。

表1

3、優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景

相干探測(cè)技術(shù)將微波雷達(dá)中調(diào)頻測(cè)距的探測(cè)精度高、探測(cè)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(wú)線電探測(cè)抗電磁干擾特別是人工有源干擾能力差的問(wèn)題，而且由于采用光載波，可加載更大帶寬的調(diào)制信號(hào)，可以獲得比調(diào)頻無(wú)線電探測(cè)技術(shù)更好的距離分辨能力。此外，采用調(diào)頻測(cè)距體制，還可以有效降低傳輸過(guò)程中因信號(hào)畸變導(dǎo)致的測(cè)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(cè)體制具有多目標(biāo)探測(cè)及成像潛力，因此，在空間目標(biāo)近距離探測(cè)、識(shí)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(cè)技術(shù)相比相干探測(cè)激光雷達(dá)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）抗干擾能力強(qiáng)。相關(guān)接收，對(duì)人為、背景光干擾不敏感；

（2）不存在探測(cè)盲區(qū)。理論上可以實(shí)現(xiàn)任意近距離測(cè)量；

（3）探測(cè)精度高。近距離探測(cè)時(shí)，精度為厘米至毫米量級(jí)；

（4）測(cè)距速度快?？梢钥s短調(diào)頻周期，提高測(cè)距速度，速度一般在千赫茲以上；

（5）支持多信息探測(cè)。相干探測(cè)不僅可以測(cè)距還可以測(cè)速，因此可以用于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高的目標(biāo)測(cè)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(cè)激光雷達(dá)受到各國(guó)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(chǎng)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(cè)、車(chē)輛自動(dòng)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。