一篇論文說激光雷達技術從原理上可以分為相干測量和直接測量，其中，相干探測也可以分為零差探測和外差探測；直接探測則可以分為模擬探測和單光子探測，

由于不懂"相干探測也可以分為零差探測和外差探測"中的零差探測和外差探測，故寫本文以說明零差檢測、外差檢測、內差檢測以及 "相干探測也可以分為零差探測和外差探測" 的具體含義，

1. 零差檢測，外差檢測和內差檢測

1.1. 外差檢測(Heterodyne detection)

同步解調

包絡解調

1.2 零差探測( homodyne detection)

1.3. 內差相干檢測

1.4 小結

零差相干檢測的優點

外差相干檢測的優點

2. 激光雷達中的零差探測和外差探測

2.1 相移(零差相干檢測)測距

2.2 外差相干檢測(頻率調制連續波, FMCW)測距

總結

1. 零差檢測，外差檢測和內差檢測

本節分3個小節分別敘述零差檢測、外差檢測和內差檢測，在每個小節中，首先給出各個地方對該小節探測方法的定義和說明，之后再對該小節的探測方法進行詳細說明，

1.1. 外差檢測(Heterodyne detection)

A. 百度百科：

外差檢測是兩束頻率不同但相近的相干電磁波的干涉，

它通過將待測電磁波和參考信號進行混波，實作對待測電磁波的頻率調制，現今這種方法已被廣泛地應用于遠程通信和天文學領域的信號探測和分析中，其中以無線電波、紅外線、可見光的干涉最為常見，

B. http://www.c-fol.net/m/news/view.php?id=20190425094637

本振振蕩器的頻率ωR不同于信號的頻率ωS的接收器，被稱為外差接識訓，

C. https://www.rp-photonics.com/optical_heterodyne_detection.html

Heterodyne detection (also called coherent detection) is a detection method which was originally developed in the field of radio waves and microwaves. There, a weak input signal is mixed with some strong “local oscillator” wave in some nonlinear device such as a rectifier, and the resulting mixing product is then detected, often after filtering out the original signal and the local oscillator frequency. The frequency of the mixing product is the sum or the difference of the frequencies of the signal and the local oscillator.

外差檢測( 又稱相干檢測，注：也有說相干探測也可以分為零差探測和外差探測；也有說法說零差檢測也是外差檢測，因此，應該理解為零差檢測是外差檢測的一個特例)是一種最初在無線電波和微波領域開發的檢測方法，在那里，一個微弱的輸入信號與諸如整流器之類的某些非線性設備中的一些強“本地振蕩器”波混合，然后通常在濾除原始信號和本地振蕩器頻率之后，才檢測到最終的混合產物，混合乘積的頻率是信號與本地振蕩器的頻率之和或差，

Optical heterodyne detection involves optical signal and local oscillator waves, whereas the mixing product is an electrical signal. The mixing product is not obtained by mixing the signal and local oscillator wave in a nonlinear crystal, but rather simply by detecting the linearly superimposed waves with a square-law photodetector, typically a photodiode. For example, one uses a beam combiner (or beam splitter) as in Figure 1 and aligns the two beams such that they are mode-matched. This means not only that their intensity profiles overlap, but also that their wavefronts have the same curvature on the detector, so that the interference conditions are uniform over the full detector area. Of course, this is possible only if the two beams are spatially coherent. In a fiber-optic setup, a fiber coupler would be used instead of the beam splitter, and all fibers would be single-mode fibers, possibly of polarization-maintaining type; the mode matching is then guaranteed without a special alignment.

光學外差檢測涉及光學信號和本地振蕩器波，而混合產物是電信號，混合產品不是通過在非線性晶體中混合信號和本地振蕩器波而獲得的，而是簡單地通過使用平方律光電檢測器（通常是光電二極管）檢測線性疊加的波來獲得的，例如，使用如圖1所示的合束器（或分束器），并對準兩束光束，使其模式匹配，這不僅意味著它們的強度分布重疊，而且它們的波前在檢測器上的曲率相同，因此整個探測器區域的干擾條件都是一致的，當然，僅當兩個光束在空間上相干時才有可能，在光纖裝置中，將使用光纖耦合器來代替分束器，并且所有光纖都是單模光纖，可能是保偏型，這樣就可以保證模式匹配而無需特殊對齊，

The resulting photocurrent is proportional to the total optical intensity, thus to the square of the total electric field amplitude. If the signal and local oscillator powers and frequencies are constant, the photocurrent has two different frequency components:

產生的光電流與總光強度成正比，因此與總電場幅度的平方成正比，如果信號和本地振蕩器的功率和頻率恒定，則光電流具有兩個不同的頻率分量：

The constant (zero-frequency) part is proportional to the sum of local oscillator and signal power.
恒定（零頻率）部分與本地振蕩器和信號功率之和成正比，
The constant (zero-frequency) part is proportional to the sum of local oscillator and signal power.
與差頻率（部分振蕩拍音）具有的幅度正比于電場幅值（的產品不所述光功率信號和本地振蕩器的），

The oscillating part can then be isolated and processed further with electronic means. Its electric power is proportional to the product of the optical powers of signal and local oscillator.

然后可以隔離振蕩部分，并通過電子方式進一步處理，它的電功率??與信號光功率和本機振蕩器的乘積成正比，

With a strong local oscillator, the heterodyne signal resulting from a weak input signal can be much more powerful than for direct detection. In that sense, heterodyne detection provides a signal gain, although there is no optical amplification involved.

使用強大的本地振蕩器，由弱輸入信號產生的外差信號可能比直接檢測要強大得多，從這個意義上講，外差檢測可提供信號增益，盡管不涉及光放大，

可以看到，這里的外差相干檢測就相當于通信原理中的頻率調制(FSK)，

因此·，接收方法也至少有兩種，即同步解調和包絡解調，

同步解調

同步解調的原理圖如下：

其中，經光電檢測器輸出的是中頻信號ωIF，為了恢復出基帶信號，首先應讓中頻信號通過一個中頻帶通濾波器（中心頻率為ωIF），并將其分為兩路，一路經過載波恢復電路，從而恢復出中頻載波信號，同時與另一路的中頻信號進行混頻，最后由低通濾波器輸出基帶信號，

包絡解調

包絡解調的結構如下圖所示：

從圖中可以看出，它不要求恢復中頻（微波載波），而是通過使用包絡檢波和低通濾波，直接將經帶通濾波輸出的信號If（t）轉變為基帶信號，從而使接收電路得以簡化，

事實上，這和通信原理中對FSK解調的描述是一致的，如下圖所示，

1.2 零差探測( homodyne detection)

A. 百度百科:

一般而言，干涉測量術可以分為兩種基本型別：零差檢波和外差檢波，

在零差檢測中，待測電磁波和一個已知的參考信號（經常被稱作本地振蕩器）進行混波，而待測信號和參考信號的載頻是相同的，這樣得到的干涉光場可以消除電磁波本身頻率噪聲所帶來的影響，經典的光學零差檢波裝置如馬赫-曾德爾干涉儀，其待測信號和參考信號來自同一波源，

B. http://www.c-fol.net/m/news/view.php?id=20190425094637

根據信號光和本振光的頻率值的差異，相干檢測分為零差檢測、外差檢測以及內差相干檢測，其中零差相干檢測可以直接還原基帶信號、信噪比最高，

C. https://www.rp-photonics.com/optical_heterodyne_detection.html

A variant of heterodyne detection is homodyne detection, where the local oscillator frequency equals the signal frequency. For optical homodyne measurements, both waves are virtually always derived from the same laser source. The homodyne technique is phase-sensitive in the sense that the power of the heterodyne signal depends on the relative phase of signal and local oscillator, and may even totally vanish.

外差檢測的一種變體是零差檢測，其中本地振蕩器頻率等于信號頻率，對于光學零差測量，兩個波實際上總是來自同一激光源，在外差信號的功率取決于信號和本地振蕩器的相對相位的意義上，零差技術是相位敏感的，甚至可能完全消失，

1.3. 內差相干檢測

B. http://www.c-fol.net/m/news/view.php?id=20190425094637

本振振蕩器的頻率ωR不同于信號的頻率ωS的接收器，被稱為外差接識訓，

1.4 小結

由此看來，外差檢測零差檢測都屬于相干檢測，內差檢測應該也屬于相干檢測，它們之間的區別只是信號頻率和本振頻率之間的差值的大小，

對應地，外差檢測類似于通信原理中的頻率調制(FSK);

零差檢測類似于通信原理中的相位調制(PSK)

在實際光波系統中也是類似的，三種常見數字調制方式如下圖所示：

零差相干檢測的優點

接收信號功率提高，故靈敏度提高；

可以檢測相位資訊；

外差相干檢測的優點

接識訓結構簡單，相比于相位調制更容易實作，

2. 激光雷達中的零差探測和外差探測

激光測距按原理的分類如下：

來源黎正平.遠距離單光子三維成像的技術研究.2020.中國科學技術大學,PhD dissertation

其中的Geiger-Mode指的是以單光子測距技術：

雪崩效應只是APD的作業原理，和作業模式不是一個東西，APD作業模式分蓋革模式和線型模式，區別在于線型模式偏置電壓低于反向擊穿電壓，蓋格模式偏置電壓高于擊穿電壓，線性模式下APD就是一個增益高的普通光電二極管，蓋格模式下APD接受到光子后就會進入并一直處于反向擊穿狀態，APD一直通過一個很大的反向電流，這時，通過外部電路使偏置電壓暫時下降至擊穿電壓之下，APD從反向擊穿模式恢復，等待下一個光子，所以蓋格模式通常只適用與單光子計數應用，

作者：有大招
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來源：知乎
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激光雷達中相干探測的原理圖如下圖所示：