光外差探测技术灵敏度高、抗干扰能力强,在本振光场和信号光场完全匹配的理想情况下,系统探测精度甚至可以达到量子效率的极限,然而,在实际应用中,本振光场和信号光场的波前失配会影响光外差探测系统的接收信噪比。分集技术是一种可以改进无线链路性能的接收技术,它把同样的信号分为多条路径进行传输使其变为独立的或至少是高度不相关的多段信号进行接收并合并,从而改善接收端信号的信噪比。为了提升外差探测中因为本振光和信号光的波前失配而恶化的信噪比,本文采用结合信号分集技术的阵列探测器外差探测系统,阵列探测器各个探测元接收的信号依据相位进行时域和空域的分集,通过一次时域差分和一次空域差分运算,提高信噪比并消除直流信号。主要工作如下:通过仿真外差探测系统中信号光与本振光完全匹配、不同程度水平失配以及角度失配的情况下探测器接收到的信号情况,研究了波前失配对外差探测信噪比的影响以及阵列探测器解决退相干问题的原理。在此基础上利用阵列探测器的探测元获取信号的相位信息,基于该信息将阵列探测器阵元接收的信号分集,并通过一次时域差分和一次空域差分运算,减少了信号直流分量并提高了接收信噪比。通过仿真中心频率25kHz,线宽20kHz的外差信号,证明信号光与本振光存在角度失配时所提出的结合信号分集的方法可以使阵列探测器中两个探测元的总输出信噪比提升4.79dB。搭建了基于高速摄像机的阵列探测器外差探测系统,并进行实验,研究了信号光与本振光完全匹配、不同程度水平失配以及角度失配时的外差信号。为验证仿真结果,实验中的外差信号控制在中心频率20-25kHz,线宽20kHz。以不同方法处理阵列探测器的两个探测元,对比两探测元分别单独输出、两探测元信号直接相加、两探测元信号同相相加以及加入信号分集的处理方式得到的总输出信号,结果表明本文所提方法对阵列探测器外差探测系统的信号强度明显提升,信噪比提高了4.65dB,与仿真结果相符。