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。

自由空间激光通信技术长期以来都是卫星通信和载荷技术领域的研究热点，具有大带宽、高速率等特点。高轨中继卫星是星间数据传输的骨干节点，随着激光通信技术的成熟，激光通信链路已成为国内外高轨中继卫星数据传输的可靠途径。对国内外高轨卫星激光中继链路的最新发展动态及其未来发展规划进行综述，该综述为我国建设空间激光信息网络提供参考。

大气相干激光通信技术在工程上已经发展到进入实用化部署阶段, 但是其理论发展仍不完善, 对大气相干激光通信系统理论以及其中必须涉及的自适应光学技术和大气闪烁问题的研究进展进行了回顾和分析。针对大气湍流对光束振幅扰动以及自适应光学相位校正的随机过程进行精确分析是当前大气相干激光通信理论体系化的主要挑战, 且研究方法必须全面采用概率分析的方法。目前, 自适应光学相位校正的概率分析的基本框架已经形成, 面向大气相干激光通信的闪烁概念必须扩展包含大气散斑和总功率起伏两种内涵, 这是未来研究的重点和难点。

基于支持向量机(SVM)的机器学习方法提出了空间激光通信四进制脉冲振幅调制(PAM-4)信号的检测算法。利用功率谱密度反演方法仿真大气相位屏,结合Taylor冰冻流假设,得到了激光载波经过大气湍流信道的光场信号,叠加接收端高斯白噪声后,采用SVM检测算法针对所得的PAM-4信号进行判决。SVM检测算法与大气信道无关。SVM检测算法对接收信号数据进行分组,对各组数据进行交叉验证并完成学习,并对参数进行调整。通过多次二分类确定各电平之间的最优超平面。最后,SVM作出信号判决。SVM检测算法得到的误码率低于双步盲检测法,在大气湍流较弱的情况下与最优边界检测法的结果相当,说明SVM检测算法具有良好的性能。

空间激光通信凭借其带宽优势, 成为未来高速空间通信不可或缺的有效手段, 是近年来国际上的研究热点。本文详细介绍了美国、欧洲和日本在空间激光通信技术领域的最新研究进展和未来发展规划, 总结了国内外空间激光通信演示计划的主要参数指标。通过对空间激光通信最新研究计划的分析, 归纳出空间激光通信高速化、深空化、集成化、网络化、一体化5个发展趋势, 以及需要突破的高阶调制、高灵敏度探测、多制式兼容、“一对多”通信等关键技术。为我国激光通信设备及相关研究提供借鉴和参考。

提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)硬件控制平台将空间激光耦合至单模光纤(SMF)的自适应耦合技术。将自适应光纤耦合器作为激光接收器件和像差校正器件, 使用基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的FPGA硬件控制平台实现SMF端面对聚焦光斑的自适应跟踪, 算法的双边迭代速率达到了3 kHz。实验结果表明, 该控制系统可补偿SMF接收端面最大约9 μm的静态对准偏差(对应空间光束的最大可校正静态角偏差为600 μrad), 对于模拟大气湍流造成的耦合效率下降具有150 Hz的校正带宽。

基于逆向调制反射器(MRR)的空间光通信系统因其结构紧凑、可免去链路一端的捕跟(APT)系统、功耗低等优点，是空间光通信系统研究热点之一。提出采用双波长激光发射实现全双工逆向调制回复空间光通信结构，并基于该结构对强度调制解调模式，通信距离为300 km，通信速率为1 GHz下的地面站对近地小卫星全双工通信链路进行了链路计算及通信误码率的分析。当MRR端口径为0.1 m时，通信链路余量大于5 dB ,通信误码率优于10-15，满足通信链路的要求。并进一步分析了仿真结果存在的缺陷。结果表明所提出的空间光通信结构在小卫星对地面站全双工激光通信是可行的，是未来空间光通信系统发展趋势之一。

根据正交频分复用(OFDM)基本原理构建了无线光正交频分复用(FSO-OFDM)实验系统，仿真分析了信道噪声对FSO-OFDM 系统性能的影响。最后通过实验验证了信道噪声对信号星座图的影响，为FSO-OFDM 的应用提供了实验依据。实验表明FSO-OFDM 系统具有较好的抗码间串扰的性能，其误码率低于单载波调制系统。

设计一款应用于多发射天线多接收天线自由空间激光通信系统中的折射式光学接收天线。天线焦距120.02 mm,相对孔径1∶1.13,工作波长为850 nm,波长范围覆盖820 nm ~880 nm,在50 lp/mm频率处0视场的MTF为0.5。接收天线可以在发射天线移动±48 mm范围内利用光敏面直径为0.5 mm的雪崩光电二极管(APD)接收3 mrad发散角的光信号。该天线由两组、共4片球面透镜组成,结构简单,可实现对运动式发射天线的光信号的接收。

针对大气激光通信中低密度奇偶校验码(LDPC)置信传播(BP)译码算法复杂度高的问题，对几类BP-Based简化译码算法进行了分析，并基于最小均方误差准则(MMSE)对Scaled BP-Based和Offset BP-Based两类改进译码算法的优化设计进行了探讨，得出两类算法的最优校正因子，并给出了数值计算.在不同的湍流强度下，对码长1008的(6,3)比特填充LDPC码进行了仿真实验，结果表明，对于短码长的LDPC码,当译码BER=10－5时, 最小和算法(UMP BP-Based)相对于BP算法有0.1~0.15 dB的译码性能损失；基于MMSE设计的两类算法相比BP算法大大降低复杂度的同时，译码性能与BP算法相当，甚至优于BP算法，优于UMP BP-Based算法0.075~0.15 dB.