提出了一种利用光纤环形器实现收发同光路的大气激光通信系统, 有利于实现系统的光路简化及模块化。该系统采用无信标光, 利用信号光进行对准和通信; 根据通信距离不同采用调焦结构调节光束发散角。设计了一种利用外部套筒螺旋进行调焦的机构, 相较于传统的调焦机构, 该调焦机构具有结构简单、尺寸小等优点, 利用搭建的大气激光通信系统进行了实验, 取得了较好的效果, 1.5km左右时系统的通信速率为1.25Gb/s。

针对目前高速率信息传输的迫切需求, 设计并实验了两路数字信号密集波分复用(DWDM)的大气激光通信结构。两路激光波长分别为1 539.76 nm和1 540.55 nm, 采用强度调制, 光信号经复用和放大后, 由光学天线发射, 经1 km大气信道传输, 在接收端对光谱、波形和眼图进行了测量。实验结果显示, 在弱湍流情况下, 实现了两路光信号的解复用, 并得到了较为清晰的波形图和眼图。两路数字信号的传输速率为20 Gbit/s时, Q因子仍达到5以上。

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。

空时网格码具有编码增益与频谱利用率高的特点, 针对强度调制直接检测(Intensity modulation/direct detection, IM/DD)方式, 提出了一种适合于大气激光通信的空时网格编码方案。该方案运用快速傅里叶逆变换(IFFT)的对称性以及加直流分量的方法解决了空时网格编码信号无法直接用于IM/DD链路传输MPSK信号的问题。之后, 通过蒙特卡洛方法分析了该方案在不同大气闪烁条件下的误码性能, 并对调制阶数和天线数对系统误码性能的影响进行了分析。结果表明: 所提方案能够有效抵御大气湍流所产生的闪烁效应, 其性能随天线数的增加而得到明显的改善, 并且在强湍流条件下表现出了更好的性能。

利用大气湍流对光束的扩展、背投成像原理和卡塞格林望远系统，提出了一种适用于大气激光通信捕获、对准和跟踪系统的光束对准检测方法，并对其进行理论分析和实验验证。该方法利用光斑形状和光斑形心位置综合解算光束的横向偏移量和轴向偏转量，解决了一般方法无法分辨出光斑在接收焦平面的移动是由于光束横向偏移还是轴向偏转引起的问题，以及光束横向偏移量无法被精确检测的问题。实验结果表明，该方法可有效地对光束对准状态进行检测，最终实现分辨率为2.2 μrad的角度偏转量和分辨率为0.25 mm的横向偏移的检测。

在大气激光通信中，半导体激光器是最为常见的光源器件，它的特性指标对整个系统的性能影响较大。首先对激光器的非线性进行建模，然后详细讨论了半导体激光器的线性化方法和映射函数的建立过程，最后根据激光器的现有工作状态进行实际测量，得到实际的激光器的I-V特性曲线。基于Volterra 级数理论建立半导体激光器的非线性模型并进行曲线拟合得到三次多项式系数，设计预失真补偿法方法对激光器的非线性效应进行校正，并通过实验验证了该方法的有效性。

针对大气湍流对激光通信中对信标光的捕获、跟踪与对准(ATP)的影响, 提出了基于盲解卷积的快速复原与实时检测算法。采用一维点扩散函数重新构造方位退化模型, 取代了原有经典二维退化模型; 改进了约束共轭梯度算法中的约束算子, 并通过改进的共轭梯度迭代算法求得对原始图像的估计; 最后通过连通域计算提取估计结果中的光斑中心位置。采用现场可编程门阵列和数字信号处理器实现所提出的共轭梯度算法并提取光斑中心位置, 满足了系统实时性要求。实验表明, 所提出的快速复原算法能够实时复原分辨率为200 pixel×200 piexl,帧频为100 Hz的光斑图像, 所提取的信标光光斑中心位置与事后计算结果的误差小于1 pixel, 能够满足激光通信系统对信标光的实时跟踪要求。

虽然气候因素和大气本身对船舶大气激光通信系统的性能影响极大,但现有的研究多集中于讨论大气对激光束造成的散射衰减。本文指出在雨中的自由空间光通信主要受雨滴直接遮挡的影响,尤其是雨滴形成的投影间的重叠效应,该效应能够很好地解释大雨甚至暴雨中激光仍能通过的现象。文中结合雨滴尺寸分布模型,建立了船舶大气激光通信中雨滴遮挡作用的数理模型,对光在雨中的最大传输距离及其光强的衰减做了初步计算与实验。结果证明,该衰减模型是合理的,理论模型基本符合实验结果。该项研究为进一步探索船舶大气激光通信系统的性能奠定了基础。