在移动空间光通信中, 激光光斑中心的快速捕获至关重要, 传统灰度重心算法很难满足高速移动空间光通信的捕获要求。针对传统灰度重心算法提出了一种优化方案, 在计算光斑中心前加入了滤波去噪、自适应二值化阈值处理, 可有效提高系统抗干扰特性; 经过粗识别光斑中心位置, 选框重心计算, 提高了检测光斑中心的速度和精确度。实验证明: 所提改进算法与传统灰度重心算法在测量精度和运算速度上进行对比, 改进算法的运算速度比传统灰度重心算法提高了一个数量级, 同时抗干扰能力更强。

分析了高速空间相干光平衡探测器的电路结构和噪声性能, 明确了平衡探测器的关键技术参数与电路结构之间的关系。采用电阻取样型和双跨阻放大器(TIA)合成型结构设计了两种高速空间平衡光电探测器, 并对其性能参数进行了实验验证。实验显示: 两种高速空间相干光电探测器均可用于高速空间相干探测, 且双TIA型电压合成型平衡探测器比电阻取样型平衡探测器具有更高的探测灵敏度和更好的抗噪声性能。 在通信速率为5 Gbps, 误码率10-8条件下电阻取样型平衡探测器实测最优探测灵敏度为-33.51 dBm, 双TIA型电压合成型平衡探测器实测最优灵敏度为-43.4 dBm。对比Discovery公司通信速率为5 Gbps的平衡探测器产品, 双TIA型电压合成型探测灵敏度提高了近8 dB。结果表明高速空间相干光电探测器的结构研究为创建高灵敏的高速空间相干光通信系统提供了理论基础。

为了研究在大气湍流闪烁效应以及瞄准误差共同作用下空间相干光通信系统的中断概率，基于指数韦伯大气湍流衰减信道，建立了基于平衡探测的相干光通信系统模型，给出了系统受大气湍流闪烁效应和瞄准误差影响下信道衰减的概率密度函数，并推导了系统中断概率的闭合表达式。通过数值仿真，分析了湍流强度、波束宽度、抖动偏差对系统中断概率的影响。结果表明:系统中断概率会随着湍流强度的增强和归一化信噪比的降低而增大；当归一化信噪比大于14 dB时,可以通过增大波束宽度降低系统中断概率；当抖动偏差大于2时，增大归一化信噪比并不能有效降低系统中断概率。由基于此模型的仿真分析结论可知，选取合适的波束宽度和抖动偏差能降低系统的中断概率,并提高系统的稳定性。

为了探寻空间相干光通信中本振功率与相干探测灵敏度间的关系, 建立了本振光功率变化对相干探测灵敏度影响的数学模型, 仿真分析了不同参数状态下本振功率对相干探测灵敏度的影响。采用自研开发的高速大面积空间耦合平衡探测器搭建了相干探测灵敏度测试实验系统, 并就本振功率对探测灵敏度的影响进行了实验验证。实验结果表明: 相干探测系统中, 两光电管不可能完全匹配, 探测灵敏度始终受到本振强度噪声的影响, 在探测器环境参数一定时, 存在最佳本振光功率值使得相干探测灵敏度取最大值。在误码率为10-12、通信速率为5 Gb/s的条件下, 相干探测灵敏度测试的最大值为-40.16 dBm, 此时对应的本振光功率为9 dBm, 与理论极限值基本一致。该模型对提高相干探测系统的探测灵敏度具有指导意义。

在空间相干光通信中，为了对本振激光器和大气信道产生的共模噪声进行有效的抑制，接收机中广泛引入平衡探测器，通过分析可知，平衡探测器在相干探测时灵敏度明显提高。为了探求空间相干通信中平衡探测器的性能，对其噪声形成的机理进行了分析，给出了2.5 Gbps和5 Gbps平衡探测器在非相干与相干探测条件下的灵敏度理论极限。设计了2.5 Gbps和5 Gbps平衡探测器，构建了平衡探测器测试系统，并对其灵敏度进行了测试，在2.5 Gbps通信速率下，非相干探测灵明度达到-21.1 dBm，相干探测的灵敏度达到-41.2 dBm，测试结果与理论分析值基本吻合。空间相干光通信中平衡探测器分析与设计为空间相干光通信系统提供了理论依据和实现条件。

精确的精跟踪系统模型为研究精跟踪的控制算法，找到影响其动态、静态性能的关键因素提供了重要的条件。设计了精跟踪辨识系统，该系统包括：快速倾斜镜、CCD、DA以及相关的电子设备。精跟踪模型传统上被认为是一个二阶系统，通过输入输出数据、模型类和最小二乘等价准则等一系列过程确定精跟踪的模型。为了评估该辨识方法的性能，将最小二乘辨识法得到的模型与传统的频率响应法得到的模型做比较。通过验证发现，两种模型的输出与实际系统输出的模型残差平方和分别为8.20和89.52，相关系数分别为0.98和0.95。结果表明，最小二乘法得到的精跟踪模型比频率响应法得到的模型更准确地反映出实际系统的特性。

为了实现机载光通信终端小型化、高准确度的要求, 依据机载平台振动功率谱特点设计了以FPGA为核心的小型机载精跟踪光通信终端.分别通过室内模拟跟踪与扰动抑制、远场信标探测与通信评估实验对精跟踪系统的性能进行了验证.分析了精跟踪系统对机载平台振动的抑制效果以及不同湍流强度对跟踪造成的影响.在远场3.4 km进行大气湍流验证实验, 通过角速度模拟了飞机到地面距离20~30 km, 飞行速度700～900 km/h时的通信实验.实验表明, 精跟踪系统对机载平台的振动具有较强的抑制能力, 系统跟踪准确度为3 μrad左右; 精跟踪可以使机载光通信模拟运动时的接收光功率提高4～5.9 dB.系统搭建灵活, 跟踪准确度高.

长距离高速微弱光电探测技术在激光通信中应用广泛。为了在未被噪声湮没的环境中检测出所需的微弱信号,采用平衡探测技术对单管探测和平衡探测进行对比,并且对具体的平衡探测器电路进行了理论分析和仿真,得出了在一致性系数较大(k>0.6)时平衡探测器的信噪比优于单管探测的结论。从理论上分析了单管和双管探测的最小可探测光功率。结果表明,把平衡探测技术用于高速微弱光信号探测具有很大的优越性。

通过对相干光通信平衡探测器原理及关键技术进行分析,设计了一套高速平衡探测系统,并在室内构建了相干光通信测试平台.测试实验发现: 该平衡探测器可以实现不同速率的相干探测,可为相干光通信提供有利的条件.在2.5 Gbps通信速率下直接探测时,单管灵敏度可以达到-26 dBm,动态范围为-26-3 dBm;在本振光为3 dBm时,相干探测的灵敏度可以达到-46.5 dBm,动态范围为-46.5-3 dBm.

针对国内长距离相干光通信接收系统采用单管探测器接收微弱信号噪声大、信噪比低等缺点，设计了一种应用于相干光通信系统的平衡探测器，运用两个PIN 管分别加跨阻放大器(TIA)，经过两个180°混频魔T 进行耦合相减，消除了大部分的激光器相对强度噪声(RIN)。搭建了测试平衡探测器的相干光通信系统，使本振光和信号光进行光混频，输出眼图显示通信状态良好。通过对比双管和单管的频谱图，进一步说明相干光通信系统的噪声通过这种平衡探测器得到了降低，系统的信噪比提高了大约10 dB，从而证明了该平衡探测器运用于相干光通信系统的可行性和优越性。