为了有效解决水下激光通信系统的激光光斑检测困难的问题, 针对水质衰减系数约为5.5 dB/m、发射源与采集端相距5~10 m的低可视度复杂的水下环境, 提出了一种简单实用的水下激光光斑检测算法。首先, 通过图像去雾操作, 增强图像中的目标光斑与背景的对比度; 其次, 经过高斯滤波, 消除图像噪点; 然后, 选取合适阈值进行二值化,提取目标激光光斑; 最后, 通过改进的灰度重心算法计算光斑中心。实验结果表明: 该算法不仅计算简单, 且在低可视度高衰减的水质情况下能较准确地识别出目标激光光斑, 并获取其中心坐标, 使得水下激光通信系统能够根据光斑位置进行调整, 实现正常通信。

针对远距离的激光接收对准问题，文章提出利用大面积雪崩光电二极管的激光网桥系统，用作广域网的延长以及局域网之间的连接。激光网桥系统的软件需要一台计算机作为服务器进行信息处理，硬件连接是经过交换机及电光转换，通过放置在两幢楼的两台双向激光镜头进行发射接收。这个系统采用1 550 nm的近红外光，两幢大楼之间的距离约为1 km，而激光在这个条件下的几何损耗约为26 dB/km，调节两台激光器的相对位置直到两幢大楼接收的光功率在-30 dBm以内时，成功达到了两端视频通信所需的阈值光功率，因而可以进行双向视频通信。

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。