自由空间激光通信以其传输速率高、保密性能好、体积质量小等特性, 在无线通信领域具有广泛的应用前景, 特别是卫星领域, 可有效解决微波通信通信速率低、体积大等问题。为实现远距离、高速率的星间激光通信系统, 有必要引入一种数字激光通信接收机, 灵活地抑制干扰和噪声, 提高通信灵敏度。根据数字通信误差概率的原理, 设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字接收机。采用有限脉冲响应、动态阈值、基带中值等滤波算法, 优化信噪比, 提高检测灵敏度。同时, 设计了1 550 nm激光通信接收机灵敏度测试实验结构, 并进行了检测灵敏度实验。实验结果表明, 雪崩光电二极管(APD)接收机在Mbps数量级的通信速率下, 实现了接近理论设计值的探测灵敏度-52.57 dBm。通过数字滤波算法信噪比提高了约10 dB, 为卫星激光通信的接收机设计提供了理论指导。

为了进一步增强机载激光测距机在全温范围内的环境适应性, 分析了温度与探测器模块输出功率信噪比的关系, 推导了最佳倍增因子与温度的方程式, 阐述了温度变化引起倍增因子对最佳雪崩倍增因子偏离的原因。根据雪崩管探测器雪崩击穿电压的线性温度特性, 设计了机载温度范围为-55℃～70℃的基于自然对数法的最佳倍增因子雪崩偏压线性化温控电路,用于补偿因温度变化所引起的倍增因子对最佳雪崩倍增因子的偏离。结果表明, 实测雪崩偏压温控系数为2.29V/℃, 与理论分析值误差仅为4%。该技术用于新型机载激光测距系统中, 获得了良好的试验数据, 满足机载环境的特殊需求。

为了实现强衰减条件下的无线光通信，研究利用单光子探测器检测接收端光信号。在分析门控模式盖革雪崩光电二极管(Gm-APD)工作原理的基础上，基于泊松分布，对单个门内Gm-APD 的触发概率进行研究。根据二项分布，建立了基于单个Gm-APD 的误码率模型，研究了单个门内的信号光子数、背景光子数与信号周期内开门次数对误码率的影响。理论分析与数值仿真结果表明，信号周期内开门次数决定了系统可能达到的最低误码率；误码率随信号周期内开门次数增加呈指数下降；将误码率控制在10^-3相比于10^-9，接收灵敏度将至少提高3 dB。最后通过实验测量了给定条件下的误码率，并与模型仿真结果进行对比，验证了模型的正确性。

空间激光通信中的常用调制方式是脉冲位置调制(PPM),雪崩光电二极管(APD)具有高增益、高灵敏度和响应速度快的特点,因而成为空间激光通信中的首选信号探测器件。针对空间激光通信的脉冲位置调制信道,分析了空间光通信系统中雪崩光电二极管探测噪声的特点和类别,根据小波变换具有提取信号局部特征的能力,提出了一种基于小波变换的雪崩光电二极管信号检测方法。采用四种不同的阈值选择算法选取小波系数以恢复信号,并进行了初步的仿真实验和分析。结果表明,自适应阈值选择算法取得的信号恢复结果最佳,可有效减弱强背景噪声的影响,提高雪崩光电二极管信号检测系统的性能。