为了解决便携式激光通信视场角测量范围小、要求精度高、测量难度大的问题,采用计算指定通信距离下的链路能量作为视场角测量依据, 提出了一种基于便携式激光通信视场角测量的方法和装置, 并在此方案设计的高精度测量装置基础上进行了实际试验测量。结果表明, 探测器灵敏度为-30dBm时, 在1km,2km,3km,4km处测得的激光通信接收视场角分别为1.12mrad,0.94mrad,0.87mrad和0.63mrad。该测试方法和装置能够精确测量便携式激光通信的视场角范围, 测试装置可以扩展应用于不同领域的小视场高精度测量。

针对独有的跟踪方式, 具体讨论了激光通信三同心球光学系统的跟瞄方案, 并进行了具体规划。通过对通信跟踪光路和通信接收光路的视场和精度分析, 给出了二者的相关参数, 作为Matlab理论计算跟踪像面轨道的依据。利用Tracepro软件模拟了引入相关误差量后的通信跟踪和通信接收像面光斑质心偏移和光斑大小变化情况。仿真结果显示: 随着角度的旋转, 通信接收的质心偏差在±4 μm范围内, 通信跟踪的质心偏差在±50 μm范围内; 通信接收像面光斑直径小于80 μm, 通信跟踪像面光斑直径均在400 μm以内。系统所引入的误差在允许范围之内, 不影响相关跟踪通信功能。

针对不同光学系统中存在的杂散光所造成的假信号或信号饱和影响,本文结合像面照度分析和消光环抑制的方法, 对准直系统进行分析, 找到产生杂散光的主要原因, 设计了3种不同结构的消光环以消除杂散光。仿真实验结果确定了最优形式的消光环结构, 边缘杂散光抑制最大下限值为038%, 平均抑制值568×10-4%; 以此模型为基础, 进行了杂散光抑制实验。实验结果表明, 带有消光环结构的准直系统可以有效抑制杂散光, 保证了后续光学系统的功能实现, 对其他杂散光抑制系统具有借鉴作用。

针对宽波段Czerny-Turner结构像散校正存在的问题，分析了影响光学系统像散校正的主要因素。基于发散光束照射平面光栅的像差理论，应用Matlab软件模拟分析了光学系统产生像散的原因和相应抑制方法的不足。讨论了了准直镜离轴角与聚焦镜离轴角的角度差值α和光学系统像散S之间关系，理论模拟了α取不同值时，宽波段C-T结构的全波段像散校正情况。为了验证理论分析的正确性，设计了光谱段为900~1 700 nm的消像散型光学系统，利用光学设计软件Zemax对该波段的光学系统进行了光线追迹和设计优化，并对设计结果进行处理和分析。结果显示: 随着角度差值的逐渐增大，短波波段像散校正能力越来越强，像散校正能力提高了1.6倍左右; 长波波段像散束缚能力越来越弱，像散校正能力平均降低了1.27倍左右。得到的结果表明: 角度差值的合理选取可以为宽波段Czerny-Turner结构的像散校正提供理论指导。

针对Czerny-Turner结构光谱仪宽波段像散很难同时校正的不足，提出了一种复合方法校正像散，即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时，加入柱镜，利用柱镜的相反像散变化趋势，进一步补偿光学系统的剩余像散，推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。应用复合方法，设计了1个近红外900~1700 nm的消像散Czerny-Turner结构。Zemax的仿真结果表明，全波段全视场均方根（RMS）值均小于14 μm，调制传递函数(MTF)达到0.7以上，全波段的光谱分辨率为1.5 nm。保证了在高光谱分辨率的情况下，实现了近红外800 nm宽波段像散的同时校正，避免了能量的横向扩散。该设计方法同样适用其他波段的结构设计，对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。