在激光湍流传输仿真中，随着路径上湍流的不断增强，光斑会产生巨大的畸变，往往无法同时具备较高的仿真精度和计算效率。提出了在仿真过程中采用不同的收发平面采样网格间距的方法，实现了中强湍流信道中的激光传输仿真。该方法可以在保持采样点数不变的情况下，根据具体情况设置不同的收发平面网格间距，使得激光传输的仿真结果在不同湍流强度下都与理论值更加接近。仿真结果表明: 减小发射平面网格间距之后，闪烁指数仿真值相对误差从20%以上降低到10%以内，最低可达4.15%，波动标准差也从0.07以上减小到0.05以内，最小可达0.015。

基于液晶空间光调制器进行了Non-Kolmogorov湍流的室内模拟实验, 并对光强概率密度分布、光强闪烁指数及光强时间频谱进行了分析, 完成了模拟实验结果与相关湍流理论之间的对比验证.实验结果显示：在弱湍流下, 归一化对数光强近似服从正态分布, 且随着湍流强度的减小, 正态分布拟合系数增大; 光强时间频谱高频段的幂律随着湍流功率谱幂律的减小呈减小趋势, 与理论分析一致, 但具体数值小于理论预测; 闪烁指数则随着大气相干长度的增大而减小, 在大气相干长度小于0.05 m的范围内闪烁指数急剧变化, 在大气相干长度大于0.2 m之后趋近平缓, 这一变化趋势与湍流幂律无关, 与理论预测一致, 表明湍流模拟实验能较好地再现湍流对无线光通信中接收光强的影响.模拟实验的误差分析表明, 不同强度湍流的模拟实验其误差主要来源不同, 可为实验的进一步改进提供针对性建议.

为了探寻空间相干光通信中本振功率与相干探测灵敏度间的关系, 建立了本振光功率变化对相干探测灵敏度影响的数学模型, 仿真分析了不同参数状态下本振功率对相干探测灵敏度的影响。采用自研开发的高速大面积空间耦合平衡探测器搭建了相干探测灵敏度测试实验系统, 并就本振功率对探测灵敏度的影响进行了实验验证。实验结果表明: 相干探测系统中, 两光电管不可能完全匹配, 探测灵敏度始终受到本振强度噪声的影响, 在探测器环境参数一定时, 存在最佳本振光功率值使得相干探测灵敏度取最大值。在误码率为10-12、通信速率为5 Gb/s的条件下, 相干探测灵敏度测试的最大值为-40.16 dBm, 此时对应的本振光功率为9 dBm, 与理论极限值基本一致。该模型对提高相干探测系统的探测灵敏度具有指导意义。

针对传统自抗扰控制器的扰动补偿效果随着扰动频率增加迅速下降的问题，提出了一种基于改进的线性扩张状态观测器的自抗扰控制方法。该方法首先对粗跟踪进行系统分析、简化及辨识；然后对线性扩张状态观测器的观测原理进行详细推导与论证，从理论上指出其不足，提出了一种改进的线性扩张状态观测器；最后将改进的算法与PID调节器相结合，实现了粗跟踪的自抗扰控制。实验结果表明：针对幅度在1°、频率在0.5~2.5 Hz间的外部位置扰动，传统的自抗扰控制器随着扰动频率的增加，扰动隔离度下降非常明显，2 Hz时的提升程度仅为0.5 Hz处的9.5%；而采用改进的算法使扰动隔离度至少提高了4.146 dB，且随着扰动频率的增加，扰动隔离度的提升非常稳定，2.5 Hz时的提升程度与0.5 Hz处几乎一致；此外，该方法有较好的鲁棒性，允许被控对象在20%的范围内变化。理论分析、仿真分析、物理实验均证明该方法的有效性，对类似的光电跟踪系统有一定的参考价值。

为了提高空间光通信PAT系统的扰动抑制能力，提出了一种基于扰动观测器的控制方法。该方法首先对PAT系统进行分析，得到简化的控制模型，然后利用扰动观测器从电机转动位置和光斑位置中观测出扰动，最后将扰动等效补偿量加入到电流环前的综合点。精跟踪系统的仿真实验结果表明：相比常规的PD控制器，加入扰动观测器使扰动隔离度在电机电流饱和前的几乎所有频率处都得到了提升，最优情况可达到28.2 dB；同时，该方法具有很强的鲁棒性，在系统物理参数变化15%时扰动隔离度依然比没有使用扰动观测器时提高了至少1倍。所述的控制方法显著提高了PAT系统的抗扰动性能，对大范围与高动态的精密光电跟踪系统有一定的参考价值。

在空间相干光通信中，为了对本振激光器和大气信道产生的共模噪声进行有效的抑制，接收机中广泛引入平衡探测器，通过分析可知，平衡探测器在相干探测时灵敏度明显提高。为了探求空间相干通信中平衡探测器的性能，对其噪声形成的机理进行了分析，给出了2.5 Gbps和5 Gbps平衡探测器在非相干与相干探测条件下的灵敏度理论极限。设计了2.5 Gbps和5 Gbps平衡探测器，构建了平衡探测器测试系统，并对其灵敏度进行了测试，在2.5 Gbps通信速率下，非相干探测灵明度达到-21.1 dBm，相干探测的灵敏度达到-41.2 dBm，测试结果与理论分析值基本吻合。空间相干光通信中平衡探测器分析与设计为空间相干光通信系统提供了理论依据和实现条件。

采用功率谱反演法与叠加低频谐波方式数值模拟静态湍流相位屏，并根据湍流冻结理论仿真了动态湍流相位屏。采用液晶空间光调制器(LC-SLM)在实验室内搭建了大气湍流信道仿真平台，进行了Kolmogorov湍流模型下，不同湍流强度的激光大气传输模拟研究，对比分析了实验结果，与理论较为符合。同时实验研究了不同模拟湍流强度下激光通信误码率的响应关系，这对实验室内评估实际激光通信系统的性能具有重要应用价值。

精确的精跟踪系统模型为研究精跟踪的控制算法，找到影响其动态、静态性能的关键因素提供了重要的条件。设计了精跟踪辨识系统，该系统包括：快速倾斜镜、CCD、DA以及相关的电子设备。精跟踪模型传统上被认为是一个二阶系统，通过输入输出数据、模型类和最小二乘等价准则等一系列过程确定精跟踪的模型。为了评估该辨识方法的性能，将最小二乘辨识法得到的模型与传统的频率响应法得到的模型做比较。通过验证发现，两种模型的输出与实际系统输出的模型残差平方和分别为8.20和89.52，相关系数分别为0.98和0.95。结果表明，最小二乘法得到的精跟踪模型比频率响应法得到的模型更准确地反映出实际系统的特性。

为了实现机载光通信终端小型化、高准确度的要求, 依据机载平台振动功率谱特点设计了以FPGA为核心的小型机载精跟踪光通信终端.分别通过室内模拟跟踪与扰动抑制、远场信标探测与通信评估实验对精跟踪系统的性能进行了验证.分析了精跟踪系统对机载平台振动的抑制效果以及不同湍流强度对跟踪造成的影响.在远场3.4 km进行大气湍流验证实验, 通过角速度模拟了飞机到地面距离20~30 km, 飞行速度700～900 km/h时的通信实验.实验表明, 精跟踪系统对机载平台的振动具有较强的抑制能力, 系统跟踪准确度为3 μrad左右; 精跟踪可以使机载光通信模拟运动时的接收光功率提高4～5.9 dB.系统搭建灵活, 跟踪准确度高.

通过对相干光通信平衡探测器原理及关键技术进行分析,设计了一套高速平衡探测系统,并在室内构建了相干光通信测试平台.测试实验发现: 该平衡探测器可以实现不同速率的相干探测,可为相干光通信提供有利的条件.在2.5 Gbps通信速率下直接探测时,单管灵敏度可以达到-26 dBm,动态范围为-26-3 dBm;在本振光为3 dBm时,相干探测的灵敏度可以达到-46.5 dBm,动态范围为-46.5-3 dBm.