在外差探测过程中,由于光频段电磁波的波长在亚微米到微米量级,因此几乎任何目标表面都可以认为是粗糙的,这种粗糙特性引起的激光散射场对于外差效率的影响是不可预知的,因此我们称之为非合作目标表面。由于目前探测中采用的光电探测器为面元器件,外差探测得到的中频信号是大量随机光电流累积的结果,不同面元位置响应的光电流信号又表征为初相位不同的余弦信号,因此探测器表面不同位置产生的中频信号可能相互抵消,最终显著降低外差探测系统的信噪比和外差效率,产生剧烈的退相干效应。目前该问题已成为制约光外差探测技术发展应用的核心因素,本论文主要围绕这个问题,以退相干效应为切入点,从非合作目标散射场模型、实时阵列信号的退相干补偿等方面展开了相关理论、实验的研究探索,主要的工作内容如下:1.为量化研究散射场引起的退相干效应,采用基于粗糙表面功率谱密度函数与蒙特卡罗方法的粗糙面模型,研究了非合作目标散射场模型及基于该模型的阵列探测器外差探测系统模型,分析了不同散射场统计参量下,系统外差效率的变化规律。为评估该模型的合理性,还研究了一种验证模型精度的外差探测评价标准。2.针对相干探测系统中阵列外差信号的相位补偿问题,研究了一种系统结构简单,更易操作,实用性更强的相位补偿方案。该方案取消了传统外差探测系统中复杂的相位补偿模块,通过使相干干涉信号产生在相机传感器光敏面,在电脑端利用算法从相机记录的外差信号中获得相干信号。3.针对现有阵列信号相干处理算法引起的时间损耗太大,无法满足雷达的实时性探测需求的问题,将如何最大化外差效率的问题转化为如何把回波相位空间起伏“拉平”,即将各探测单元的相位补偿至同一参考值的问题,提出了基于频域分析时域平移的外差探测目标散射场空间退相干补偿算法,并基于该算法研发了一款阵列信号相干处理算法软件。仿真结果表明,在补偿效果基本一致的情况下,本算法的处理速度远高于其他算法2至4个数量级,处理时间与探测器阵元数目呈线性正相关,与信号本身信噪比无关,实时性、稳定性极高。4.基于相位补偿方案,搭建了基于高速摄像机的阵列探测器光外差探测系统,以不同粗糙度的喷丸比较样块为目标展开了实验,对研究的非合作目标散射场模型及阵列信号相干处理算法的可行性进行了实验验证。实验结果表明本文提出的空间退相干补偿算法可以有效解决由探测目标表面粗糙引起的外差探测信号的退相干效应问题,同时验证了散射场模型的有效性,为解决远距离非合作暗弱目标的光外差探测问题提供了新的方案思路,对于光探测的实际应用,如远程单站相干激光雷达、多普勒测风激光雷达、激光振动测量和远程昏暗目标探测等,有一定积极的作用。