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。

在空间激光通信实际应用过程中，受到对准误差的影响，单模光纤耦合效率低，需要对其进行精确校正。在理想条件下，首先分析不存在对准误差及其他影响因素时平面波-单模光纤耦合效率及高斯光-单模光纤耦合效率模型，然后分别研究了光纤横向偏移和纵向偏移两种对准误差对单模光纤耦合效率的影响。在此基础上，提出了一种基于多平面光转换（MPLC）技术提高单模光纤耦合效率的方法，数值仿真了使用MPLC将平面波转化为高斯光前后及校正对准误差前后耦合效率的变化情况。仿真结果表明：使用MPLC将平面波转换为与高斯光高度相似的光束后，耦合效率会比平面波直接耦合进入单模光纤提高18.54%；使用MPLC分别校正横向偏移和纵向偏移后，耦合效率均提升至99%以上。该方法突破了空间光与单模光模式不匹配的限制，可以有效校正对准偏移误差，对于提高空间光到单模光纤的耦合效率具有一定的理论意义。

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。

为满足激光通信系统跟踪精度的要求, 采用快速反射镜系统作为精跟踪控制核心。选用大行程、高分辨率、高带宽的音圈电机驱动快速反射镜, 对音圈电机控制方法进行了研究。首先, 定性分析了快速反射镜系统的组成及工作原理。然后, 根据音圈电机的等效电路模型进行建模分析, 得到快速反射镜的传递函数模型。最后, 介绍了模拟控制器的设计原理, 给出了比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative, PID)电路、位置检测电路以及功率放大电路的具体设计。实验结果表明, 设计的快速反射镜的角分辨率为1μrad, 重复定位精度为3μrad, 闭环带宽(-3dB)为300Hz@1mrad, 满足激光通信系统稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

针对旋转双棱镜系统解算困难、误差源众多和指向精度较低的问题，提出了一种补偿旋转双棱镜指向系统转角的修正方法，采用求偏导和建立全微分方程的方法建立光束指向误差与棱镜转角误差关系，解算出补偿角。经实验验证：在99.57%的指向区域中，指向偏差最大值由1.8742°降低为1.4753°，均方根由0.1401°降低为0.0893°，补偿棱镜转角修正方法可有效提高指向精度。

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。

根据激光通信及共口径技术基本原理,对共口径自由空间激光通信光学系统的参数进行了分析,并设计得到了一套离轴式共口径激光通信光学系统。系统光学天线采用离轴两反结构,有效通光口径为160 mm,光束压缩比为10∶1,跟瞄系统采用无焦望远结构,最大跟踪视场为±1 mrad,最佳跟踪精度为2 μrad。利用Zemax软件对系统进行了光线追迹和性能分析,结果表明系统性能优良,波像差优于0.1λ(λ=632.8 nm),并且结构紧凑,公差合理,装配简单,能满足实际应用的需求,对实现中地球轨道(MEO)自由空间激光通信具有一定的工程意义。

提出了一种新型双曲线直圆混合柔性铰链。利用卡氏第二定理推导出双曲线直圆混合柔性铰链的柔度计算公式, 并根据所推导的公式, 分析了直圆半径、最小厚度和切割深度对其柔度的影响。同时采用实体单元建立双曲线直圆混合柔性铰链的有限元模型, 对不同几何参数的铰链进行仿真分析, 并对仿真解与解析解进行对比。结果表明: 仿真解与解析解的最大误差在8%以内, 证明了所推导公式的正确性; 与不同形状的柔性铰链对比得出, 双曲线直圆混合柔性铰链具有更好的转动能力和对载荷较高的敏感性。所设计的新型双曲线直圆混合柔性铰链更适用于快速反射镜支撑结构中, 同时也为混合型柔性铰链的设计和优化提供了理论依据。

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。