为了解决电磁振镜系统中镜面大角度偏转难以测量的问题，设计了一种基于四单元光电探测器（PD）与LED的光电式镜面角度传感装置。首先分析了镜面角度检测的基本原理，基于LED朗伯辐射模型，建立了镜面偏转角度的真实值与解算值之间数学模型；其次以非线性度为评价标准定义了系统检测范围；然后仿真分析了探测器水平位置、镜面中心与LED距离和LED半功率角对系统检测范围的影响；最后搭建了实验平台进行验证。仿真及实验结果表明：所建立的数学模型对使用朗伯型LED进行镜面角度检测是有效的；通过减小探测器与LED之间距离、增加镜面中心与LED距离和增大LED半功率角，可以提高系统的角度检测范围。

为了实现空间光通信系统小型化、一体化设计，建立了基于阵列探测器和快速偏转镜的一体化跟踪系统，通过分析阵列探测器的光斑位置检测原理提出了一种归心算法。首先通过设置阈值，设计了光斑不完全覆盖探测器的粗归心策略；然后采用数据库查询的方法完成精归心，最后采用无穷积分法使光斑归至原点附近；通过搭建试验平台验证了算法的正确性和可行性。实验结果表明：跟踪视场可达70.3 mrad，较原算法视场扩大了约3倍，跟踪最大误差优于1.8 μrad，为空间光通信系统的进一步工程化应用奠定了基础。

为了分析四象限探测器(QD)激光光斑位置检测性能,建立了新的高斯光斑位置分辨率数学模型。分析了高斯光斑模型下QD位置检测原理和近似数学模型,根据误差函数可导性,结合误差理论推导出位置分辨率与总信噪比、光斑中心位置和光斑半径关系的数学模型,数值仿真和实验系统验证了所提模型的正确性。结果表明,当光斑半径为0.74 mm,总信噪比为66.96 dB时,在光斑中心偏移±0.45 mm范围内,所提模型的估算误差约为36%,与原近似模型相比,精度提高了约1倍,可以对激光光斑位置检测系统的位置分辨率进行有效估算。

为了提高1 550 nm近红外波段光斑位置的检测精度, 提出了一种改进的积分无穷解算模型。以高斯光斑为入射光模型, 深入分析了InGaAs四象限探测器(Quadrant Detector, QD）输出信号与光斑实际位置之间的关系, 考虑探测器直径及沟道的影响, 通过引入误差补偿因子, 利用最小二乘拟合的方法得到有效光斑半径, 从而获得新解算模型的解析表达式, 最后在搭建的InGaAs QD光斑位置检测系统上对提出模型进行实验验证。仿真和实验结果表明: 新模型可有效降低不同半径光斑下的位置检测误差; 入射光总能量约为10 μW, 光斑半径0.75 mm时, 在[-0.75~0.75 mm]检测范围内, 新模型均方根误差为0.003 mm, 最大误差为0.009 mm,较原有模型分别降低了78.6%和52.6%。新模型在激光通信和激光雷达等工程实际中具有较好的应用前景。

为了对四象限探测器输出的四路信号进行同步采集传输, 本文设计了一套高分辨率、高速率的同步数据采集传输系统。该系统首先以FPGA芯片EP1C12Q240为核心, 控制模数转换芯片ADS1274采集数据, 数据经过片内FIFO缓存, 然后按Camera Link协议将数据打包为32×40大小的图像, 图像经Camera Link接口传输到PC机, 最后使用图像采集卡采集图像数据, 并利用MATLAB编写软件实现图像解码与存储。实验结果表明: 该系统实现了分辨率为24 bit、采样速率为100 kHz的4通道同步数据采集, 其有效分辨率可达18.79 bit, 数据传输稳定可靠。满足了数据采集系统高分辨率、高速率的需求, 并且该方案也可方便地移植到其他应用中, 具有较好的可扩展性。

为了提高四象限探测器(QD)光斑位置检测性能，研究了在高斯光斑模型下影响QD位置检测精度的主要因素。分析了四象限探测器位置检测的基本原理，随后根据误差理论推导出高斯光斑模型下位置检测精度与光斑半径、质心位置和系统信噪比关系的数学模型，通过数值仿真和实验分析验证了该数学模型的有效性，并深入分析了各因素对位置检测精度影响的趋势及大小。研究结果表明，对于四象限探测器高斯光斑位置检测系统，在保证检测范围的条件下，采用较小半径的光斑、选取靠近光敏面中心的工作区域和提高系统信噪比可以提高位置检测精度。当系统信噪比为57.48 dB时，采用束腰半径为0.6 mm 的高斯光斑，QD 中心点位置检测精度可达0.514 μm。

为了实现激光通信系统对信标光的捕获、跟踪与瞄准, 采用嵌入式图像处理技术设计了基于现场可编程门阵列器件的高速激光光斑检测系统, 对分辨率为300pixel×300pixel、帧频1000Hz序列图像中的激光光斑目标进行了提取操作。采用1维滤波算子构造方位滤波器进行图像预处理, 同时便于硬件实现, 滤波后经阈值分割、形态学开运算与连通域分析, 最后提取了激光光斑的形心位置信息。结果表明, 所设计系统能够对包含激光光斑目标的高帧频图像进行实时处理。目标形心提取频率可以满足激光通信系统在动态链路建立方面的要求。