为分析死时间、暗计数等因素对单光子相干测速性能的影响，搭建了基于近红外单元单光子雪崩二极管探测器的外差相干测速实验系统，实验分析了探测器暗计数率和信号探测光子计数率对多普勒信息重建的影响，以及由探测器死时间决定的饱和计数率限制下的最优信号探测光子计数率。在1 μs探测器死时间、1 ms采集时间下，分别对1.8 kHz、52.4 kHz和194.4 kHz探测器暗计数率影响下的光子到达时间序列进行快速傅里叶变换，从频谱数据中提取拍频信号。实验结果表明，随着光子计数率的增加，相干拍频信号频谱信噪比逐渐增大而后趋于平稳，当接近饱和计数率时，在相干拍频信号频谱低频区域和拍频频率两侧出现了谐波分量，谐波频率间距与光子计数率数值基本相等，受谐波影响较小的最优光子计数率约为单光子探测器饱和计数率的90%。研究结果可为全光纤单光子多普勒测速雷达技术的发展和应用提供参考。

对稳频半导体激光器的频率进行在线实时监测的需求量和迫切性一直在不断增长。特别是近几年发展起来的连续波激光雷达通常以单频半导体激光器为种子源，并通过相干检测方式获得雷达信号的频率，从而获得目标物的距离信息，这就使得种子光源的频率精度直接与测距精度密切相关，因此，对光源的频率稳定性的表征也提出了新的要求：更关注短期（在相干时间内，亚微秒~数毫秒）的频率变化模式，对长时段内（数分钟~24 h）的绝对频率高精度监测的需求减弱；同时要求频率监测系统具有在线实时监测能力。针对这些需求，基于延时自外差原理，提出了一种表征稳频激光器的频率变化的方法，经过严谨的原理推导和算法编程，使得监测系统不仅结构简单，还实现了在线实时监测功能，并测量了一台利用氰化氢（H¹³C¹⁴N）气体吸收谱线基于边频锁定技术的稳频分布反馈式半导体激光器（DFB-LD）频率变化曲线。测量结果是：在10 ms内稳频激光器的最大频率变化约为25 MHz，并且清楚地观察到激光器的频率变化不是单向的漂移模式。为了进一步验证该方法的精度，采用主流的飞秒光频梳拍频法离线测量了同一台稳频DFB-LD的频率变化，实验结果是：在50 min内频率变化约为30 MHz。两种测量方法的测量结果均在相同的MHz量级，证明了该方法是一个快速可靠的光频率分析手段，可应用于实时调节稳频激光器的伺服回路系统。

物体微振动信号测量在磁场、建筑、生物成像及航空航天等方面具有重要的应用价值。但是，物体微振动产生的弱反射光不仅极其微弱，易受到探测距离、雨雾气等环境因素的干扰，而且低频振动的振动形式多变，易受到经典噪声影响，难以实现极端微弱反射光条件下的振动信号测量。针对以上问题，文中采用光学偏振控制方法，对信号光与本振光的偏振性进行控制，以减少光学噪声的干扰；采用平衡外差探测，将低频直流信号转变为高频交流信号，避免信号被噪声湮没的同时，克服了光电流共模噪声的影响。在赫兹（~10 Hz）频段，探测器的噪声水平达到了散粒噪声极限，并实现了阿瓦量级反射光条件下的微振动信号测量，测得的物体微振动振幅为11.44 nm，A类标准不确定度为0.25 nm，合成不确定度为0.34 nm，测量精度为±0.75 nm。该方案不仅为微弱多普勒频率测量、振动检测等测量领域的研究提供了实验支持，在弱反光、长距离、雨雾天气等复杂测量环境也具有广阔的应用前景。

相干探测系统受光电探测器非线性效应作用，难以达到散粒噪声极限下信噪比，存在最佳本振光功率使得系统信噪比最大。针对系统最佳本振光功率难以确定的问题，首先分析基于平衡探测器的最佳本振光功率理论，提出基于互相关法和频谱法直接测量外差信号并计算信噪比以确定最佳本振光功率，搭建实验完成了三型光电探测器对应的系统测试。结果表明，测量的信噪比随本振光功率的变化曲线与理论基本吻合，可以准确得到不同探测器对应的最佳本振光功率。本文方法可用于确定相干探测系统最佳本振光功率以及提高系统信噪比。