提出了一种白天信标光图像跟踪算法。分析了太阳光反射进相机视场的噪声以及探测器噪声在空域和频域的特点,使用两个频域滤波器检测候选区域。研究结果表明,所提算法具有较高的精度、较快的速度以及较高的可靠性,可用于白天环境下星地信标光的跟踪探测。

基于量子导航定位系统的工作原理和过程,设计了其光学信号传输系统,分析了系统中的 部件特性及选型。在给定的相关参数及期望性能指标下,结合各关键部件的特性设计了光学信号 传输系统的具体实现方案,包括捕获跟踪瞄准系统中的光学天线、二维转台、粗跟踪探测器、快速反 射镜、精跟踪探测器及HOM干涉仪中的单光子探测器,为量子导航定位系统中光学信号传输系统仿真实 验平台的建立和硬件系统的实现,以及定位精度的进一步提高打下了基础。

简述了空间激光通信中精跟踪系统的组成和控制结构，分析了捕获、跟踪、瞄准系统精跟踪探测器使用质心算法进行信标光斑定位时的误差来源，对精跟踪探测器信标光斑定位过程进行傅里叶频域分析.推导得到消除质心算法系统误差的理论方案，即信标光波长和精跟踪系统的F数乘积需大于精跟踪探测器的像元尺寸.分析了精跟踪系统实现过程中关键参数的选取过程，结合精跟踪系统的系统参数耦合关系，为了不损失精跟踪视场，在精跟踪探测器镜头前添加孔径光阑进行精跟踪系统优化，以消除精跟踪探测器光斑定位时的系统误差.理论计算和实验证明：当孔径光阑的直径小于9.32 mm时，精跟踪系统的相对孔径小于0.045，精跟踪误差仅为0.03 pixel，相比优化前的精跟踪系统，跟踪精度提高了1.9倍.

量子信号在大气信道中传输的可行性已经在多个实验中得到了证实。将量子通信终端搭载到移动平台被认为是量子通信实用化的重要发展之一, 可满足全球量子保密网络构建和**通信领域高保密性等需求。综述了量子密钥在地面与移动平台之间的分发所涉及的关键技术, 介绍了移动量子密钥分发技术目前的发展状况与难点, 并探讨了下一步实用化发展方向。

捕获、跟踪、瞄准系统精跟踪探测器在不同噪声下对精跟踪系统进行光斑位置定位的影响不同。分析了探测器条状噪声的来源, 理论推导了条状噪声对质心算法的影响。采用阈值质心算法对含有条状噪声和椒盐噪声的图像进行光斑定位, 仿真分析了不同阈值、不同光斑图像信噪比下X轴和Y轴的光斑定位偏差, 对比了X轴和Y轴的光斑定位精度。仿真结果表明, 沿Y轴方向延伸的条状噪声使得X轴光斑定位精度优于Y轴。实验分别测试了不同系统配置、不同干扰幅度下精跟踪系统X轴和Y轴的跟踪精度。实验结果表明, 对于两个正交轴对称的精跟踪系统, X轴的跟踪精度优于Y轴, 从而验证了条状噪声的存在使得X轴的光斑定位精度优于Y轴的结论, 实验结果和仿真分析结果相符。

针对激光通信捕获、跟踪、瞄准系统对光斑位置检测精度的需求，提出了基于互补金属氧化物半导体探测器的光斑位置检测精度评价方法，并用此方法量化了常用的滤波算法对光斑位置检测精度的影响。利用高精度位移平台测试相机的随机误差和系统误差，分别采用中值滤波、均值滤波、高通滤波、形态学滤波对光斑图像进行处理，并计算滤波后光斑的质心位置，比较滤波前后光斑位置的检测精度，评价滤波算法对位置检测的影响。实验表明，滤波会降低光斑位置检测精度，进而根据实验结果提出了避免上述精度降低问题出现的方法。

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。

利用光的轨道角动量传递信息可有效提高信息传输的速率。介绍了光轨道角动量的基本概念和主要特性, 探讨了基于轨道角动量的自由空间光通信的基本原理和典型系统, 并对相关的关键技术进行了分析, 在此基础上, 对基于轨道角动量的自由空间光通信的应用前景和发展趋势作了展望。

介绍了100 km量子纠缠分发实验中的捕获跟踪瞄准(ATP)技术。以Alice接收端的700 mm望远镜为例分析了ATP系统的技术指标、光路布局和高带宽跟踪精度的实现方法。为了抑制近地面水平大气湍流引起的量子信息传输光束和信标光束的到达角起伏， 在经典复合轴跟踪模式的基础上，设计了具有粗跟踪、精跟踪和超精跟踪功能的双重复合轴跟踪系统和双快速控制反射镜融合的跟踪算法，用高帧频CMOS探测器和压电快速控制反射镜构建了超精跟踪回路。采用这些方法有效解决了跟踪动态范围和跟踪精度之间的矛盾，更好地发挥了高帧频探测器的性能，提高了抑制带宽和跟踪精度。将该双重复合轴跟踪系统成功应用于100 km量子纠缠分发实验，结果显示捕获跟踪系统的跟踪精度为4 μrad，抑制带宽达到了70 Hz。

分析了激光通信中捕获、跟踪、瞄准(ATP)系统对信标光光斑定位的需求，阐述了选用互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器的优势。提出了基于STAR1000探测器光斑探测相机的设计思路和光斑质心算法。由于CMOS探测器存在噪声和像元占空比有限等缺陷，影响了相机的定位精度。对影响定位精度的因素进行了分析和仿真，通过研制出的相机实验平台完成了测试和实验验证。实验结果证明降低噪声、提高像元占空比、扩大有效光斑直径均可提高定位精度。进而针对激光通信ATP系统的特点提出了提高相机定位精度的改进方案。