激光雷达是利用激光技术实现目标探测的一种新体制雷达。它以激光器作为辐射源，将雷达的工作波段扩展到光波范围，具有探测精度高、分辨率高、抗干扰性强等特点。相比微波雷达，激光雷达体积小、重量轻，更适于空间应用；其工作波长更短，目标回波多普勒频移更大，对低速运动的感知能力更好。虽然有以上优点，但由于激光技术发展的限制，目前激光雷达的作用距离尚不如微波雷达远，一定程度上限制了激光雷达在远距离探测领域中的应用。此外，因太阳光干扰太强，自由空间传输中引入背景噪声较多，这会导致激光雷达的回波信号就变得极其微弱，目前，能有效提高激光雷达作用距离的技术发展方向是应用光学相干探测体制。为了减少噪声影响、避免高速模数转换器（AD）和数字信号处理器件（DSP）带来的功耗过大问题，相干激光雷达的中频带宽都在百MHz级别。然而，由于激光的波长短，高速运动目标极易带来百MHz甚至数GHz的多普勒频移，其激光散射回波即便被相干激光雷达接收到，得到的拍频信号超过了光电探测器和AD采样器的带宽限制。

为了解决这一问题，研究学者提出通过后处理的方法分离、补偿目标平动带来的多普勒频移，但该方法的前提是拍频信号能够被检测到。还有基于外差探测的频移量来补偿多普勒频移的方案，但声光移频器产生的频移量是固定的，且补偿范围小，而通过两个激光器构造的变频移量方案，虽然其补偿范围大，但系统灵活性差，需要对目标运动进行预判。此外，研究学者还通过构造双光频激光雷达系统，降低多普勒频移效应的载频，来减小回波信号中的多普勒频移，但该方案对光源要求高，光路准直调整困难，且相干效率低。还有学者采用光频梳探测高速运动目标，其目标应用范围广泛，但其在探测高速运动目标时能量的利用率低。

光锁相环具有将两路光信号实现相位同步的功能，可在相干激光雷达的回波接收处理过程中加以利用。具体而言，光锁相环通过调谐本振激光，使之与接收到的回波光保持固定的频率和相位关系，故在外差光锁相环中可获得具有固定频率和相位关系的拍频信号，因此本文提出将光锁相环技术应用到系统的接收端。此时，可调谐本振光能实时跟踪回波光频率即可自适应消除大气扰动、激光器频率漂移以及复杂多普勒频移等不利因素对回波相干检测的影响，将回波拍频频率拉回到较小的中频带宽内，便于实现目标检测。

本文的主要特色和创新之处在于：

1. 本文重点研究基于光锁相环的相干激光雷达探测运动目标的问题。通过对光锁相环进行了深入的理论研究和仿真分析，提出了在相干激光雷达接收端采用光锁相环的方案，并通过仿真验证了方案的可行性。在此基础上，搭建了实验平台，经过系统调试对环路进行优化，进一步改善了环路性能，为后续的研究奠定基础。
2. 研究了相干激光雷达接收端采用光锁相环的频率补偿能力。通过转盘模拟了不同速度的运动目标，搭建了相干激光雷达探测不同运动速度目标的实验平台，验证了系统具有自适应补偿目标平动带来的多普勒频移的能力。同时通过环路控制电压监测了环路运动状态，并依据被补偿的多普勒频移量估计了目标运动速度。针对高速平动的补偿问题，提出了基于双环路调谐的频率补偿方案，通过现场可编程门阵列(FPGA)调控环路的工作模式，实现大频差的补偿。通过实验证明了该系统补偿大多普勒频移后，采用小带宽的探测器能有效的检测到高速运动目标的回波信号，验证了方案的有效性。
3. 对于探测识别运动目标时存在的复杂平动带来的多普勒频移与微多普勒频移混叠问题，提出并设计了工作在载波跟踪模式下的光锁相环，以期实现在雷达接收端补偿多普勒频移而不补偿微多普勒频移，从而保证可以准确提取出目标的振动信息。从激光雷达测振原理出发，经过详细的理论分析，建立了该方案的模型，并以音箱模拟振动源完成了复杂运动目标的振动探测，经过完善的实验充分验证了该方案的可行性。
4. 在上述研究的基础上，拓展和衍生了基于光锁相环的测距通信一体化系统的研究。提出了基于连续波跳频调制的测距通信一体化系统，该方案极大的提高了系统的抗干扰性和保密性，同时通过基于伪随机编码的频移键控不仅具有较强的抗串扰能力同时也克服了雷达测距的距离模糊问题，此外，通过较小的码元宽度能够提高测距的精度和分辨力。实验室中原理验证了该方案的有效性，但受限于实验器件性能，距离分辨力尚有待提高，后续可以进一步深入研究。

本文深入研究了基于光锁相环的相干激光雷达接收机系统，经过理论推导、系统行为级仿真以及实验验证，充分证明了所提方案的可行性和有效性。通过不断挖掘了相干激光雷达的应用潜力，为拓展相干激光雷达动目标的测速范围，增强动目标微多普勒的检测灵敏度，提供了一种新颖的技术途径，同时也为测距通信一体化系统的后续研究提供了一种行之有效的研究思路。