分析了多脉冲位置调制星间激光通信系统的性能,在散粒噪声极限下,给出了平均误符号率(ASER)的解析表达式;在热噪声极限下,给出了ASER的紧密上边界的解析表达式,并验证了理论计算的正确性。数值仿真结果表明,随着抖动方差的增大,系统性能迅速下降;当发射功率的取值范围不同时,不同束腰半径下系统性能存在差异;当单个符号中的脉冲数不变时,增大符号中的时隙数可提高系统性能,但带宽利用率也会降低。故在系统参数的选取中,需要综合考虑以上因素。

设计了综合斜程传输和光束扩展影响下的相位屏组来模拟光束经大气层斜程传输后产生的波前畸变, 先利用功率谱反演法和次谐波补偿法生成垂直传输路径的相位屏, 再结合斜程大气传输理论对相位屏进行斜程修正, 得到适用于模拟斜程大气湍流影响的相位屏。通过数值分析对比了斜程相位屏与垂直路径相位屏相位结构函数的差别。结合光束扩展情况计算每个高度区间对应的波前畸变空间分布, 建立了相位屏组模型, 最后得到接收光波面各位置的相位分布。

针对星间激光通信系统易受瞄准误差影响的问题,在瞄准误差服从贝克曼分布的条件下,利用三阶中心矩法将其等效为修正后的Rayleigh分布,分别在中断概率一定和发射功率一定的假设下,建立了发射功率优化模型和中断概率优化模型,并计算出了两种假设条件下高斯光束经天线发射时的最优均方根宽度。通过数值仿真,给出了考虑瞄准误差时的系统中断概率、最小发射功率与最优均方根宽度之间的关系。根据该数值分析结果,在明确瞄准误差分布规律的基础上,选择最优的高斯光束均方根宽度,以实现最优星间激光通信链路性能。

针对星间激光通信受瞄准误差影响较为严重的问题,提出了一种基于Marcum Q函数表示法的动态束腰控制方案。在不需要采取任何近似的情况下,利用Marcum Q函数给出了计算瞬时信道状态的闭合解析式,并建立了优化模型,通过模型求解,得到在已知瞬时瞄准误差角时的最优光束束腰半径的简单代数表达式,并给出了相应的动态束腰控制方案,该方案可有效抑制瞄准误差的影响。数值计算结果表明,采用动态束腰控制方案的系统性能要明显优于采用固定束腰控制方案的系统性能,且所提方案在系统误码率和中断概率性能上较传统动态束腰控制方案有一定的提升。

通过时域有限差分法,研究了单粒子散射对拉盖尔-高斯(LG)光束轨道角动量态传输的影响,分别研究了散射粒径、粒子位置、椭球粒子半径比、倾斜角度及LG光束初始轨道角动量模式对轨道角动量态衰减的影响。研究结果表明:散射粒子半径越大,轨道角动量态的衰减越严重;散射粒子与光束相对位置的变化,也会引起能量占比的规律变化;初始轨道角动量模式、椭球粒子半径比和倾斜角度对轨道角动量态的衰减均有不同程度的影响。

针对大气湍流引起的系统频带利用率下降的问题，研究了一种离散速率条件下的大气激光通信自适应调制编码系统。从信号层角度建立了湍流信道模型，给出了湍流信道下的瞬时信噪比概率密度函数，并采用外场实验验证了该信道模型。理论推导了系统频带利用率和误码率表达式，仿真结果表明大气激光通信自适应调制编码系统较传统单一传输模式系统具有优越性。研究了其频带利用率和误码率曲线特性，分析了误码率要求和湍流强度对系统性能的影响。结果表明降低误码率要求可大幅提高系统的频带利用率，且误码率要求越低，湍流强度越弱，频带利用率越高。

研究了一种用于大气激光通信自适应调制编码技术中的模式选择阈值的选取算法。分析了大气弱湍流信道性能, 并对高斯信道中阈值选取算法进行修正, 提出了一种信噪比-湍流强度选择方法来确定阈值区域模式, 并给出了阈值选取方程。分析了湍流强度分别为0, 0.1, 0.2, 0.3时3种传输模式下自适应调制编码系统的误码率, 得到了最大误码率为10-4的条件下3种模式选择的信噪比与湍流强度阈值区域的对应关系。仿真结果表明, 所提方法可行且能够准确地进行模式选择。

针对大气激光通信中的帧同步问题, 分别基于信道特征和中心极限定理, 提出了两种帧同步识别算法。首先分析了大气激光通信的信道特征并建立了相应的信道模型; 随后利用此模型, 对输出电平矩阵每一列的数据分布情况进行了讨论, 提出了基于信道特征的帧同步算法; 最后, 针对输出电平矩阵帧数较少的情况, 从输出电平矩阵和值的概率分布情况出发, 提出了基于中心极限定理的帧同步算法。仿真结果表明, 基于信道特征的帧同步算法在帧数较多的情况下性能较好, 当信道比达到6 dB时帧同步识别率可达到100%, 但是, 随着帧数的减少, 其帧同步识别率迅速下降; 而基于中心极限定理的帧同步算法性能受帧数影响较小, 在信噪比大于7 dB时, 即使帧数下降到20, 其帧同步识别率仍可达到100%, 具有良好的帧同步性能。

针对大气激光通信中多径散射效应产生的通信链路码间串扰问题，提出了一种基于退偏振比探测的大气激光通信传输方案。利用光子追迹和Stokes矢量变换进行了Monte Carlo仿真；通过设置不同的云层物理厚度和消光系数，得到接收光退偏振比与云层光学厚度的一一对应关系；基于Stotts公式，得到接收光退偏振比与平均脉冲时间展宽的对应关系。提出了在多径效应影响下的最佳通信传输速率方案，该方案在激光通信系统接收端直接进行退偏振比探测，可有效评估大气信道环境的多径强度，进而在保证激光通信传输质量的同时实现最大的通信传输速率。该研究在星地激光通信以及自适应激光通信的通信链路优化领域具有理论指导意义和应用价值。

针对传统线性分组码识别方法对码长较长的低密度奇偶校验（LDPC）码不适用的情况，利用蚁群算法对对偶空间进行优化搜索，完成了对LDPC码的识别。建立了大气激光通信信道模型和LDPC码的识别模型，给出了大气激光通信湍流信道下校验关系对数似然比函数表达式；将基本蚁群算法与LDPC码的识别问题结合，将对数似然比函数经过处理作为目标函数，通过不断迭代每次搜索过程中目标函数最优值和最佳搜索路径，实现对LDPC码的识别。仿真结果表明:当码长为256时，在弱湍流条件下，当信噪比不低于8 dB时，识别率可达78%；在强湍流条件下，当信噪比不低于10 dB时，识别率可达77%。此外，蚁群算法中的参数设置对算法性能有较大影响，应根据实际情况加以选择。