为了研究海洋湍流对单光子捕获概率的影响,基于模厄米高斯光束和Nikishov海洋湍流模型,根据Rytov近似和Kolmogorov谱,推导出了海洋湍流环境下的单光子捕获概率模型,并对不同海洋湍流参数对单光子捕获概率的影响进行了分析。结果表明:在传播百米后,海洋湍流环境下的单光子捕获概率下降明显;随着温度方差耗散率的增大,单光子捕获概率降低;当盐度因素主导海洋湍流时,单光子捕获概率也随盐度的增大而降低,盐度变化对海洋湍流环境下的单光子捕获概率的影响显著。增大接收机孔径值与缩短脉冲间隔可以有效提升单光子捕获概率,但温度方差耗散率的增加和传输距离的减少会降低脉冲间隔对单光子捕获概率的影响。

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲, 假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM01模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型, 研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响; 建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型; 针对低轨卫星-地面站间激光链路, 对单光子捕获概率进行了分析.结果表明: 上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C2n(0), 且随着C2n(0)的增加而减小; 然而, 下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C2n(0), 即大气湍流对其没有影响.

大型光电跟踪设备跟踪测量精度高、惯量大、视场小，不具备大空域搜索目标能力，一般依靠雷达等设备提供的引导信息发现捕获目标，当目标引导误差超出光电设备视场后，光电跟踪设备难于发现目标。提出了一种在引导信息基础上的小空域快速螺旋搜索方法，通过系统建模仿真和外场试验验证，此方法适用于在目标引导信息误差超出视场情况下，快速搜索发现目标。在引导误差不超出两倍视场情况下，此方法可使捕获目标概率从20%左右提高到70%左右。此方法搜索过程中转台运动平稳，可根据不同光电设备系统性能、实际目标运动特征和引导误差灵活改变螺旋搜索参数，大大提高光电跟踪设备目标捕获概率，是大型光电跟踪设备小空域快速搜索发现目标的一种实用有效的方法，具有很高的通用性。

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。

针对空地激光通信系统, 推导了复合光栅螺旋扫描捕获方法所需的最大捕获时间、平均捕获时间和捕获概率的计算公式, 建立了捕获性能仿真模型, 分析了捕获时间和捕获概率的关系, 以及空中平台的相对速度对捕获系统的影响和抑制方法.仿真结果表明, 当通信终端的捕获不确定区域为50 mrad, 扫描重叠因子为0.12时, 捕获探测器的信噪比大于6时, 空地激光通信系统总的捕获概率优于95%, 最大捕获时间约为36 s, 平均捕获时间约为12 s.

在空间光通信系统中, 终端平台目标光的捕获技术是通信链路建立的一项关键技术。对于传统的扫描捕获方式, 由于探测器等各种误差存在以及不确定区域的影响, 导致系统捕获概率较低, 且时间较长, 最终导致空间光通信系统链路建立困难。基于此, 提出采用GPS辅助APT系统完成目标捕获, 并建立目标快速捕获系统, 系统以Cortex-M3单片机为控制核心, 采用GPS进行目标快速定位, 搭配水平和俯仰基准传感器, 利用GSM网进行无线传输。采用该系统进行了固定点捕获实验, 结果验证了上述方法的有效性。

单光子捕获技术是自由空间量子密钥分配的关键技术。单光子捕获概率是一个重要问题。基于厄米-高斯光束处于TEM20,TEM02,TEM30,TEM03及TEM11模式下的单光子捕获概率理论模型被建立,通过数值仿真给出厄米-高斯光束处于不同模式下单光子捕获概率的大小。以TEM10为例给出时间滤波的物理模型,将该模型与数值仿真结果相结合,分析在进行单光子捕获时需要被淘汰模式和最佳模式,并给出了TEM20模式下时间滤波的具体实现过程及其应用价值,从而达到对自由空间量子密钥分配系统的优化。

基于TEM₁₀模拉盖尔－高斯光束，推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星－地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明：采用可高度衰减激光脉冲的TEM₁₀模拉盖尔－高斯光束作为单光子源，单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法，可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比，采用TEM₁₀模拉盖尔－高斯光束的优点是，不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。

为了利用激光雷达对空间碎片进行探测，根据空间环境和空间碎片的特性，给出了空间中的激光雷达作用距离的具体表现形式，并详细分析了空间的背景辐射并给出了处理后的结果，从而推导出最小可探测光功率的计算公式，进而给出了系统所需最小发射光功率和探测系统的信噪比。结果表明，利用激光雷达可以对几十千米范围内的较大空间碎片进行探测。

建立了一种自由空间量子密钥分配的单光子捕获概率理论模型.基于基模高斯光束,推导了单光子捕获概率的表达式.得到影响单光子捕获概率的主要参量是发射机的跟瞄误差、光束远场发散角、发射机和接收机的链路距离和接收机天线孔径.针对低轨卫星-地面站间链路进行了数值仿真分析,得到单光子捕获概率一般在10-3～10-5量级.