Free-space laser communication is characterized by high communication speed, strong anti-jamming ability, high confidentiality, and flexible configuration. In this paper, a pointing, acquisition, and tracking (PAT) system based on a two-stage (i.e., coarse and fine) composite tracking mechanism is proposed to solve the optical axis alignment problem, which is common in free-space laser communications. The acquisition probability of the PAT system is ensured by designing two tracking modules, a coarse tracking module which combines passive damping with active suppression and a fine tracking module based on an electromagnetic galvanometer. Both modules are combined by using a dynamic scanning mechanism based on the gyroscope signal. Finally, a free-space laser communication test with a long range and a high speed is conducted by two fixed-wing Y12 aircrafts equipped with the proposed PAT system. Experimental results show that the coarse tracking precision of the airborne PAT system is 10μrad (1σ), and the fine tracking precision is 8μrad (1σ) during flights which are much improved as compared with the indoor tests. This indicates that the system can achieve a high precision for PAT during high-speed and long-range laser communications in the free-space. This also verifies the tracking capability and the environmental adaptability of the proposed laser communication PAT system.

介绍了机载激光通信系统的组成与工作原理，分析了机载激光通信系统涉及的关键技术。结合机载平台特点，完成了机载激光通信系统设计与样机研制，系统经地面测试和拉距试验。结果表明，该系统样机能够实现20~100 km的远距离通信，且误码率低于10-6、通信带宽优于1.25 Gb·s-1/155 Mb·s-1，性能指标完全满足机载激光通信系统的设计要求。

大气湍流参数是评价大气信道对空间激光通信系统性能影响的重要依据。根据机载平台的运动特点，采用差分像运动法并利用夏克-哈特曼传感器与指向、捕获、跟踪伺服单元等设备，在加格达奇地区开展了不同海拔高度下大气湍流参数的分层测量实验。结果表明，在Kolmogorov湍流条件下，该地区日间大气湍流强度随海拔高度的增加而减弱，并在该变化趋势上叠加了大气湍流强度的随机起伏；大气覆盖逆温层顶层海拔高度范围为2.2～2.8 km，海拔高度为3.5 km的大气相干长度的变化范围为10～26 cm。该研究为机载激光通信系统的性能分析提供了重要的参考。

针对多旋翼无人飞行器机载云台的稳定控制要求，提出一种采用双速度环控制结构的带有模糊切换条件的模糊自适应PID复合稳定控制方法。在深入分析控制结构扰动抑制能力的基础上，通过模糊自适应控制中自调整因子的引入和控制规则的在线修正，提高系统的快速响应能力;利用变速积分PID控制保证系统的高稳定精度，模糊切换条件实现复合控制的平稳切换。动态响应和稳态精度实验表明，系统的调节时间约为20 ms，稳定精度为0.13 mrad。该方法有效地实现了机载云台的稳定控制，完全满足了多旋翼无人飞行器的应用需求。

为了实现机载光电跟瞄系统的捕获与跟踪功能，针对机载环境狭小的空间设计了一款紧凑型中波红外相机。首先从机载平台的应用需求出发，提出了红外相机的各项性能指标。然后，采用二次成像与二次折转的方案对红外相机的光学系统进行了设计与优化，并研制出一套高精度调焦平台用以光学系统的距离与温度调焦；采用箱体式结构方案对红外相机的支撑基座进行了优化设计，有限元分析结果表明所设计的支撑基座具有足够的结构刚度。最后，在完成机载中波红外相机精密加工、装配与调试的基础上，采用光电测试平台对红外相机的焦距、视场角、噪声等效温差(NETD)和调制传递函数(MTF)等参数进行了实验检测。结果显示：相机的焦距、视场角等与理论设计较为符合，NETD为22 mK，在探测器的极限空间频率处相机的MTF不低于0.58，接近衍射极限水平。因此，所研制的机载紧凑型中波红外相机工作灵敏度高、成像质量好，满足机载平台的应用需要。

根据国际机载荧光激光雷达系统发展趋势,对基于512通道ICCD的机载海洋荧光激光雷达系统进行了 实验室实验模拟和计算,对其可行性进行了评估。采用单脉冲能量70 μJ的355 nm Nd:YAG激光器 作为激发光源,直径100 mm的透镜收集探测距离5 m远的荧光信号,信号具有较好信噪比。 模拟计算表明,对于同样基于ICCD探测的机载海洋激光雷达,采用20 Hz、单脉冲能量80 mJ的激光器 和200 mm口径望远镜在150 m探测距离可获得与实验室相当的结果。

随着自由空间光通信应用的深入，以机载平台为节点的激光通信链路已成为研究热点。机载平台的跟踪预测性能决定了通信的成败，机载平台间跟踪预测是一个典型的非线性问题，为解决这个问题，提出了一种改进的粒子滤波方法，且在此基础上，仿真实验验证了该种方法对机动平台具有良好的自适应跟踪性能。