引力波探测激光干涉仪对四象限探测器性能提出了较高的技术要求。为了提升四象限探测器光斑位置检测精度，搭建四象限探测器相干探测仿真系统，构建位置检测数学模型，分析位置检测精度与系统信噪比、光斑半径和光斑质心位置三个关键参数以及相干混频增益的关系。基于蒙特卡罗仿真方法并采用LabView软件搭建四象限探测器光斑位置检测计算机仿真系统，深入分析系统中高斯光斑产生、光斑质心位置解算以及误差评判三部分主要过程，分析各个关键参数对位置检测精度的影响。仿真结果表明，提升系统信噪比、减小光斑半径以及选取靠近光敏面中心的光斑质心位置可以提高位置检测精度。将仿真结果与理论计算结果进行对比，验证了数学模型的有效性，提升了蒙特卡罗仿真置信度。

根据水下可见光通信长距离传输的需求，对水下光通信信道进行建模仿真，并设计了一种基于数字信号处理的高灵敏度水下光通信发收机。在发收机中采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)进行开关键控(OOK)调制、编码以及有限长单位冲激响应滤波器滤波(FIR)、自适应门限判决、滑动均值滤波等数字信号处理手段提高系统信噪比及误码性能，并在不同水质环境中进行水下光通信实验，对整体通信系统进行误码率分析，验证系统性能。实验结果表明，在满足误码率等于10^－6条件下，接收机灵敏度可以达到－38 dBm。实验证明该通信系统在码速率5 Mbps、误码率10^－6条件下在Ⅰ类水质中传输距离达到20 m，Ⅱ类水质中传输距离10 m，Ⅲ类水质中传输距离可以达到4.5 m。

随着5G时代的到来，自由空间光通信成为无线通信领域的研究热点，限制激光通信系统在大气信道下发展的主要因素是湍流闪烁效应。为了提高激光通信系统在大气信道下的通信性能，本文提出了一种基于雪崩光电二极管自适应增益控制的激光传输终端大气湍流的抑制方法，建立了大气湍流信道时域频域模型，编写了一套闭环调节算法并在湍流条件下搭建了具有自适应增益控制算法的无线激光通信实验。结果表明：在弱湍流条件下，光强闪烁方差由0.057降低至0.023，开启自动增益控制的功率谱曲线更加符合5/3次幂律谱，系统误码率降低两个数量级。经多次试验证明，自适应增益控制算法有效地抑制了湍流引起的信号功率波动，实现了高抗干扰能力的无线激光通信。

针对空间激光通信组网各网络拓扑节点高度动态、通信链路搭建困难的问题，在现有“一点对多点”组网光学原理基础上，对其反射镜光学天线伺服性能进行研究。通过实验对针对反射镜的基于位置环和基于速度环的两种不同的光闭环控制策略进行对比，结果显示：基于速度环的光闭环策略在跟踪换向时会出现瞬间较大误差抖动，而基于位置环的光闭环策略的跟踪误差在换向时更加平稳，且误差较小。利用Matlab平台进行了基于速度环的光闭环跟踪仿真，仿真得到的跟踪误差与实际跟踪误差基本一致，但并无较大的换向误差。结合低速启动实验，得出结论：该误差来源于速度环较差的低速启动性能，通过增加位置环降低换向跟踪误差的方案适用于轴系谐振频率较高的光机系统。实验还对位置环跟踪下的速度前馈进行了研究，结果表明：前馈增益从0到2递增时，位置跟踪误差先减小后增大，跟踪误差最小值出现在增益值为0.95~1.05附近。

为了克服自由空间光通信系统中大气湍流、机械平台振动等因素的影响,提出了一种基于峰值功率反馈结合快速反射镜的章动耦合方案,并搭建了章动实验平台。通过快速反射镜引入一定频率和幅度的正弦扰动进行动态跟踪实验,结果表明,在跟踪状态且耦合效率不低于55%时,系统的最大耦合范围能达到1.1 mrad。同时设计的跟踪算法可以很好地校正大幅度扰动,使探测器接收光功率的均方误差由开环时的9.91%降低到闭环时的0.81%。测试了系统在不同信噪比下的章动耦合效率,结果表明,耦合效率随信噪比的降低而降低。

阐述了激光雷达系统中脉冲整形电路的作用,设计了基于恒比定时法和基于脉冲峰值检波法的脉冲整形电路,在实验室及室外条件下对两种脉冲整形电路的性能进行分析,验证了不同脉冲整形电路在激光雷达系统中的性能。结果表明,恒比定时电路与峰值检波电路都拥有亚ns级的时间鉴别能力,恒比定时电路的时间鉴别能力受距离、回波脉冲幅度影响很小,检测精度仍需继续优化。本研究为激光雷达系统的测距精度优化提供了参考。

在光纤激光通信系统中, 为了克服准误差、随机角抖动误差、大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响, 本文设计了单模光纤章动跟踪耦合系统。首先基于模场匹配原理, 分析了径向偏差和光斑大小对耦合效率的影响。其次在理论分析的基础上, 对激光章动跟踪系统进行了设计, 主要包括激光器、准直镜、快速反射镜、耦合透镜以及光电探测器, 并以光电探测器的能量反馈完成了激光章动跟踪算法设计。最后搭建了实验平台, 对系统进行了实验测试。通过实验测试得到, 在激光章动跟踪时单模光纤的耦合效率为53.5%, 并测试了径向偏差以及光斑大小对耦合效率的影响, 得到了相应的曲线。耦合效率满足系统要求, 并且实验测试曲线与理论分析的仿真曲线基本一致。

阐述了空间光到单模光纤耦合原理,设计了基于快速反射镜结合光纤光电探测器的章动耦合算法,在LabVIEW环境下仿真了光纤端面章动的动态跟踪过程,并进行了激光章动系统耦合实验,实现了静态条件下59.63%的耦合效率,进行了1.65 GHz码速率的视频传输演示与扰动实验,验证了章动耦合算法的有效性与可行性。通过实验与仿真数据结果,分析了章动算法参数中章动半径、收敛步长与章动单周采样点数对耦合性能的影响。结果表明,在光纤端面当章动半径从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率无明显变化,但章动半径过小会导致收敛角度识别误差增大,降低耦合速率;当收敛步长从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率上升;当章动单周采样点数从100减少到5时,耦合效率与耦合稳定性无明显变化趋势,但由于采样点数过少,收敛角度分辨率降低,耦合速率明显下降。

针对地球同步中继卫星对地激光通信，设计了一种包含多重闭合回路的伺服跟踪系统，分析了跟踪算法的数学模型以及用于光斑脱靶量补偿的带执行器限位比例积分微分控制算法，介绍了星地链路激光通信跟踪系统中伺服闭环控制系统的组成、各执行模块的性能指标和工作模式，给出了伺服闭环系统和光闭环系统的工作原理。根据所设计的脱靶量提取算法和误差补偿算法,分别在图像处理模块和下位机执行模块中编写了光闭环跟踪程序。对整个系统进行静、动态环境下微弱信标光的跟踪实验测试，最终获得动态环境下±20 μrad(3σ，σ为标准差)、静态环境下±7.5 μrad(3σ)的跟踪精度，实验结果验证了所设计跟踪回路的可行性及良好的操作性，结果表明该跟踪系统具有较高的跟踪精度。