由于轻小型卫星光通信系统中潜望镜的光学结构随粗瞄机构姿态变化而发生改变，使得相应的跟踪算法变得较为复杂，本文对潜望镜式星间激光通信终端粗跟踪算法进行研究以提高粗瞄机构的跟踪精度。利用矩阵光学方法，建立了潜望镜式光通信终端中光学器件的矩阵模型，在获得CCD测角模型后，推导了基于CCD测角的粗瞄装置自动跟踪算法模型，实现了潜望镜式光通信终端粗瞄装置对目标光束的快速跟踪，并对模型进行了相应的实验验证。实验结果表明，该CCD测角跟踪模型正确地反应了实际终端中的光学传递关系，能够正确地对CCD图像位置信号进行处理并获得稳定跟踪角度，平均跟踪精度优于10 μrad，满足卫星激光通信中稳定可靠、高精度粗跟踪的要求。本文提出的方法对类似的光学系统具有借鉴意义。

卫星光通信系统的光学天线由物镜和目镜构成,两者在光轴方向的间距对系统的发射和接收性能有重要影响。轴间距通常由干涉仪确定,但干涉仪与光学天线的工作波长不同时会引起镜头组焦距变化,导致物镜和目镜的轴间距存在偏差。为了能利用单波长干涉仪精确调试物镜和目镜的轴间距,本文根据光学天线在干涉测量装置中的程函方程,研究了因波长差异引起的物镜和目镜的轴间距变化量与干涉条纹变化量的相应关系,并据此提出一种能精确调试光学天线物目镜轴间距的方法。提出了几种检验该方法有效性的验证方案,包括实验验证和计算机仿真验证两大类。基于计算机仿真的验证结果表明,卡塞格伦反射式光学天线和透射式光学天线轴间距模拟调试误差分别＜15%和＜3%,仿真误差满足使用要求。

在采用同轴反射式光学天线的卫星光通信终端中,发射光束受天线次镜的遮挡,将损失部分能量。为消除次镜遮挡,提高光通信终端的发射效率,提出一种基于衍射光学元件的新方法。该方法利用衍射原理将光束整形为圆环光束,以规避次镜遮挡。按照遮挡比和切断比固定和变化这两类情况进行了仿真设计,前一类仿真结果表明：当遮挡比为15,切断比为1.5时,远场强度峰值提高了40%。后一类情况的仿真结果则表明：遮挡比越大,系统透过率和远场峰值强度越高,远场光束的主瓣宽度和强度峰值相对增量则分别变窄和变低;切断比越大,强度峰值的相对增量也越大。该方法提高了卫星光通信系统发射端的发射效率,同时也改善了接收端的光束质量。

为了给空间光通信的瞄准捕获跟踪链路的设计提供参考，实验研究了强湍流区的大气闪烁时间平滑效应，并考虑大气闪烁和瞄准抖动误差，分析了空间光通信的跟瞄链路的强度起伏统计规律；在此基础上，分析了时间平滑对链路衰落起伏的改善作用。实验研究结果表明，随着曝光时间的增加，强湍流区的大气闪烁起伏幅度减小，当曝光时间达到几十毫秒时，强湍流区的大气闪烁起伏服从对数正态分布；在确保空间光通信系统的链路跟踪中断概率小于10^－3以下，采用时间平滑可以使所需的衰落冗余减少15dB～20dB。

星间光通信中,波前畸变是影响信号光远场特性的主要因素。分析了球差和彗差对信号光远场分布、天线接收光功率的影响,引入了畸变衰减因子,给出了畸变衰减因子与波前畸变均方根(RMS)值的关系。理论分析和数值仿真结果表明,球差和彗差畸变越大,对天线接收功率的影响越大。在天线对准的条件下,当彗差和球差畸变均方根值分别约为0.120λ和0.135λ时,天线的接收功率为无畸变时的1/2。彗差对天线接收功率的影响主要是峰值移动造成的,球差对天线接收功率的影响主要是次峰的增强造成的。

利用CCD对自由空间传输的激光进行成像, 可得到入射光束的角度信息以实现对发射光束的控制。卫星光通信中, 提高对入射光束角度偏差实时测量的精度, 可以有效地提高终端的光束跟踪性能, 进而有效地保持激光链路的稳定。通过分析角度偏差检测原理, 建立了卫星光通信中跟瞄装置测角性能分析模型。分析了测角精度与CCD成像光斑弥散圆尺寸之间的关系, 并通过模拟实验进行了验证。结果表明, 在卫星光通信系统设计中, 综合考虑测角精度要求、终端功耗限制等因素, 选择CCD成像光斑相对尺寸在2到3之间为最佳。

An experiment of laser propagation was carried out at the urban terrain range of 3.5 km during the period of March to May of 2006. The received intensity scintillations and atmosphere turbulence strength in complex urban atmosphere circumstance were simultaneously measured concentratively. The results show the statistical characteristics of irradiance scintillation and atmosphere turbulence strength and link fade margin for urban free-space optical links.

在恒星辐照度谱模型的基础上，根据卫星轨道理论及恒星数据库建立仿真实验系统，对低轨卫星与中继卫星间(LEO－GEO)、中继卫星间(GEO－GEO)、低轨卫星间(LEO－LEO)三种典型的星间激光链路进行了仿真研究，深入分析了恒星背景噪声对卫星光通信终端跟瞄子系统的影响规律、背景光功率等特性。仿真结果表明：对于视场较大的LEO终端，恒星进入视场的概率约为7%～10%，而对于视场较小的GEO终端，恒星进入视场的概率仅为0．05%，恒星背景光功率约为10^－13～10－¹¹W。该项工作对星间激光链路设计、光通信系统参数优化等工作具有一定指导意义。

为了精确实现对空间物体的测量,提出了利用线激光、单CCD相机、小孔成像与激光面约束模型的激光线测量法.引进三维信息已知的标准阶梯块作为激光面约束的标定块;由计算机控制摄像头对实物连续拍摄和实时处理,提取激光线上的像素坐标;利用建立的模型将二维坐标转换成三维坐标,再以点云的形式重构出物体,实现三维自动测量.实践中检测系统测量精度可达到0.05mm.

提出一种深空光通信系统的信标捕获、跟踪方案,该方案是以恒星作为信标,根据恒星在惯性坐标系中的绝对位置信息,基于航天器和地球星历表、航天器的姿态信息来进行下行光束瞄准方向的精确控制.理论分析和计算机仿真都表明,星敏感器的测量精度和焦距,下行信号光的束散角将影向激光链路成功建立概率.下行信号光束散角为30μrad,星敏感器视场为8°×8°,焦距为143mm,恒星的中心位置测量精度达到0.10个像素时,链路成功建立的概率达到96.4%,表明该方案是可行的.