阐述了空间光到单模光纤耦合原理,设计了基于快速反射镜结合光纤光电探测器的章动耦合算法,在LabVIEW环境下仿真了光纤端面章动的动态跟踪过程,并进行了激光章动系统耦合实验,实现了静态条件下59.63%的耦合效率,进行了1.65 GHz码速率的视频传输演示与扰动实验,验证了章动耦合算法的有效性与可行性。通过实验与仿真数据结果,分析了章动算法参数中章动半径、收敛步长与章动单周采样点数对耦合性能的影响。结果表明,在光纤端面当章动半径从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率无明显变化,但章动半径过小会导致收敛角度识别误差增大,降低耦合速率;当收敛步长从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率上升;当章动单周采样点数从100减少到5时,耦合效率与耦合稳定性无明显变化趋势,但由于采样点数过少,收敛角度分辨率降低,耦合速率明显下降。

液晶光学相控阵具备非机械光束偏转能力, 将其应用到空间激光通信捕跟系统中, 能够实现快速、灵活、多用户的接入。提出了一种基于液晶光学相控阵的快速跟踪方法, 该方法采用电荷耦合器件(CCD)作为信标光探测器, 比例积分微分(PID)闭环控制算法生成光束指向角控制点数据, 实现对入射光束的捷变偏转, 指向捕跟探测器中心, 达到跟踪的目的。通过理论仿真可知PID闭环控制系统能够抑制高斯白噪声, 跟踪精度小于6.5 μrad。实验验证, 经过10 ms左右的调整, 系统进入稳定跟踪状态, 跟踪精度小于12.6 μrad。

分析了基于透镜的傅里叶变换特性实现空间光通信端机远场分布测试原理，以球差、彗差为代表模拟测试系统自身像差对焦面光强分布的影响，由结果可以看出球差主要影响最大光强，其分布仍然保持旋转对称性，而彗差不仅使得光强峰值减弱，且接收面上光强变为非旋转对称分布，当系统像差均方根（RMS）值小于0.02λ时，最大光强的变化小于0.2%，可以忽略不计。基于以上分析，设计了离轴卡塞格林长焦系统，利用Zemax-EE对系统进行了分析，分析结果表明，在整个工作波段（800 ~1700 nm）内，中心视场RMS值为0.0001λ，全视场点列图均远优于衍射极限。对研制完成的远场分布测试系统进行了测试，得到的光斑暗环实际值与理论值的误差均在2.5%以内，满足要求。

空间光通信经历了几十年的发展，已经演变出两代光通信终端，并完成多次在轨实验。概述了空间光通信的整体发展历史，详细介绍了欧洲、日本和美国的空间光通信的发展历程，并对其中较为典型的终端或实验及其关键技术进行着重阐释。简要介绍了国内的发展现状，分析了空间光通信的发展趋势，并指出技术上面临的挑战。

提出了一种空间激光通信系统的偏瞳天线系统，以克服传统卡塞格林两镜系统存在接收视场小、发射效率低等缺点。基于矢量波像差理论，提出了一种偏瞳天线光学系统的光学设计方法。作为实例，设计了一个通光孔径为200 mm，放大倍率为20，满足0.85、1.064、1.55 μm多个通信波段的光学天线系统。计算了初始结构参数，利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光学天线系统进行了光线追迹和优化设计，并对设计结果进行分析。分析结果表明，在整个工作波段（0.85、1.064、1.55 μm）内，点列图半径几何值小于35 μrad，实现了高放大倍率、宽波段像散同时校正，在宽波段内均达到衍射极限，满足高性能空间激光通信系统设计指标要求。该结果进一步证实了设计方法的可行性。

捕获、对准、跟踪(APT)系统是空间激光通信重要组成部分，是通信正常进行的前提与保障。对APT系统组成原理、工作原理、关键技术、系统设计、工程实现等内容进行了详细的研究，在此基础上开展室内模拟实验及野外演示验证实验。室内模拟实验跟踪精度达到2~3 μrad，表明本系统可应用在星间激光通信中。野外双端动态演示实验在飞艇船舶间进行，结果表明系统捕获概率优于95%，捕获时间小于60 s，系统跟踪精度由于受到大气湍流影响而降低，多次实验测试表明在湍流中跟踪精度达到5~25 μrad。APT系统的成功研制为空间激光通信顺利进行奠定了基础。

主要解决空间激光通信精跟踪系统光斑实时检测与跟踪的问题。针对四像限探测器的特点,使用两级增益放大、数字信号处理(DSP)、振镜等系统,完成光斑实时检测与跟踪。对系统组成原理与设计原理进行了详细论证。搭建实验系统完成了相关实验。实验表明在入射光功率为1.3 μW时,四像限探测器可实现位置分辨率1.6 μm,角度分辨率0.8 μrad,在整个光敏面内具有80细分的能力,跟踪精度在1倍方差时为2.1 μrad。系统设计时以DSP作为数据处理与控制系统核心,具有体积小、参数修改方便和便于工程化等优点。

空间相干激光通信终端中的跟瞄(PAT)系统性能直接影响通信质量。在通用的相干接收机系统中加入CCD和图像处理软件,在对传输信号进行相干探测的同时可得到目标位置误差信息,实现发射光束的实时调整。给出了干涉场强的理论表达式以及图像参数与目标位置的关系式,并讨论了实际应用中波长抖动对位置误差探测精度的影响。通过计算机仿真,验证了目标位置相干探测原理以及波长扰动分析的正确性。

一直以来, 大气湍流对空间光通信影响的研究都是在柯尔莫哥洛夫(Kolmogolov)湍流理论的框架内进行, 该模型已经被人们广泛接受和使用。然而, 近年来国内外众多非柯尔莫哥洛夫(Non-Kolmogolov)湍流的实验报道则表明Kolmogolov湍流理论有时不能完全正确地描述大气湍流的统计规律, 尤其在对流顶层和平流层。为了全面了解大气湍流对空间光通信的影响, 研究Non-Kolmogolov湍流对光波传输的影响成为了首先要面对的问题。基于Non-Kolmogolov湍流功率谱密度, 运用几何光学近似方法推导了弱起伏条件下准直光束和聚焦光束的光束漂移方差, 并给出了简洁的解析表达式; 然后, 利用这一表达式进行了仿真分析。