多普勒频移的测量被广泛应用于通信、雷达、电子战和遥感探测等领域。然而,伴随着微波技术和通信技术的快速发展,传统基于电子技术的多普勒频移测量方案通常受到瞬时带宽、传输损耗和电磁干扰等限制,越来越难以满足宽带信号的探测需求。微波技术与光子技术相结合产生的微波光子学为宽带多普勒频移的测量提供了新的思路。基于微波光子学的多普勒频移测量方案具有高灵敏度、大动态范围、大瞬时带宽,同时还具有高分辨率和抗电磁干扰等特点,已经成为了当下的研究热点之一。双平衡外差探测系统的研究与应用,对提高多普勒频移测量方案的性能具有十分重要的意义。本文围绕双平衡外差探测技术,开展了以下三方面研究:1.介绍了双平衡外差探测技术的研究背景、意义及实现方式。使用矩阵光学的方法建立了直接探测、普通外差探测、平衡外差探测和双平衡外差探测的数学模型,分析了各自的优缺点,并推导了双平衡外差探测与普通外差探测的信噪比公式。通过对信噪比公式中各个特征参量的分析,从理论上证明了双平衡外差探测的优越性。随后基于偏振分束型双平衡外差探测理论,使用Opti System仿真软件搭建了双平衡外差探测系统的仿真模型,分析了实际运用过程中波片旋转角度、偏振分束器的分光比和光电探测器的量子效率对双平衡探测系统检测性能的影响。得出了双平衡探测系统最优化的参数设置。2.基于双平衡外差探测技术提出了一种新的宽带微波多普勒频移测量的改进型方案,该方案具有更宽的频率覆盖范围、更高的测量分辨率、更高的灵敏度和抗拍频干扰的性能。由于使用一个90°光学混频器和两个平衡探测器组成的双平衡探测系统,多普勒频移（Doppler frequency shift,DFS）的方向和数值可以得到准确的判断和测量。在仿真实验中,对10～38 GHz的发射微波信号进行了DFS估计。在-90 k Hz～+90 k Hz的DFS测量范围内,消除了方向模糊,并且其测量误差小于±2Hz。在实际实验中,采用了声光调制器来模拟产生单边带信号,由于声光调制器受环境和温度的影响较大,所以测量精度下降到±74Hz。3.在原有电路的基础上,采用相干外差探测方式,设计了基于双平衡外差探测的激光多普勒频移测振方案,用来测量物体产生的振动,来获得振源的振动信息。该方案输出的时域波形和频谱图表明该系统具有良好的探测性能。同样地,该测振方案中双平衡探测技术的应用能够有效地提高系统灵敏度和抗拍频干扰性能。