基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念，笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统，提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术，设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上，笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水下激光光斑捕获跟踪实验。仿真验证结果表明了该系统与算法策略在原理上的可行性；室内模拟测试方位、俯仰跟踪精度分别为0.08 mrad和0.27 mrad，这表明可将本系统应用于水下无线光动态通信；水下激光光斑捕获跟踪实验结果表明系统的捕获概率优于99%，捕获时间少于9 s，水箱施加扰动前后的跟踪精度分别为0.6 mrad和2 mrad。本文为后续开展水下无线光动态通信技术研究提供了一种技术方法和研究思路。

针对无线光通信存在光束对准耗时长的问题，提出一种发射端采用图像跟踪，接收端采用二维反射镜控制的光束快速对准方法。依据几何光学理论计算了激光经二维反射镜后出射的扫描轨迹，并在无线光通信强度调制/直接检测系统上开展实验。实验结果表明：当通信距离为1.3 km时，光斑型心在x(y)方向的方差由跟踪前的12.5734 pixel²(5.1393 pixel²)降至跟踪后的2.2770 pixel²(1.3697 pixel²)，探测器输出电信号的幅值为92.4 mV；当通信距离为10.3 km时，光斑型心在x(y)方向的方差由跟踪前的18.8653 pixel²(10.5290 pixel²)降至跟踪后的14.4970 pixel²(8.0287 pixel²)，探测器输出电信号的幅值为74.4 mV。所提方法无需将控制信号由接收端回传至发射端，在快速建立下行链路的同时即可实现上行链路的建立。

提出了一种白天信标光图像跟踪算法。分析了太阳光反射进相机视场的噪声以及探测器噪声在空域和频域的特点,使用两个频域滤波器检测候选区域。研究结果表明,所提算法具有较高的精度、较快的速度以及较高的可靠性,可用于白天环境下星地信标光的跟踪探测。

基于量子导航定位系统的工作原理和过程,设计了其光学信号传输系统,分析了系统中的 部件特性及选型。在给定的相关参数及期望性能指标下,结合各关键部件的特性设计了光学信号 传输系统的具体实现方案,包括捕获跟踪瞄准系统中的光学天线、二维转台、粗跟踪探测器、快速反 射镜、精跟踪探测器及HOM干涉仪中的单光子探测器,为量子导航定位系统中光学信号传输系统仿真实 验平台的建立和硬件系统的实现,以及定位精度的进一步提高打下了基础。

简述了空间激光通信中精跟踪系统的组成和控制结构，分析了捕获、跟踪、瞄准系统精跟踪探测器使用质心算法进行信标光斑定位时的误差来源，对精跟踪探测器信标光斑定位过程进行傅里叶频域分析.推导得到消除质心算法系统误差的理论方案，即信标光波长和精跟踪系统的F数乘积需大于精跟踪探测器的像元尺寸.分析了精跟踪系统实现过程中关键参数的选取过程，结合精跟踪系统的系统参数耦合关系，为了不损失精跟踪视场，在精跟踪探测器镜头前添加孔径光阑进行精跟踪系统优化，以消除精跟踪探测器光斑定位时的系统误差.理论计算和实验证明：当孔径光阑的直径小于9.32 mm时，精跟踪系统的相对孔径小于0.045，精跟踪误差仅为0.03 pixel，相比优化前的精跟踪系统，跟踪精度提高了1.9倍.

量子信号在大气信道中传输的可行性已经在多个实验中得到了证实。将量子通信终端搭载到移动平台被认为是量子通信实用化的重要发展之一, 可满足全球量子保密网络构建和**通信领域高保密性等需求。综述了量子密钥在地面与移动平台之间的分发所涉及的关键技术, 介绍了移动量子密钥分发技术目前的发展状况与难点, 并探讨了下一步实用化发展方向。

捕获、跟踪、瞄准系统精跟踪探测器在不同噪声下对精跟踪系统进行光斑位置定位的影响不同。分析了探测器条状噪声的来源, 理论推导了条状噪声对质心算法的影响。采用阈值质心算法对含有条状噪声和椒盐噪声的图像进行光斑定位, 仿真分析了不同阈值、不同光斑图像信噪比下X轴和Y轴的光斑定位偏差, 对比了X轴和Y轴的光斑定位精度。仿真结果表明, 沿Y轴方向延伸的条状噪声使得X轴光斑定位精度优于Y轴。实验分别测试了不同系统配置、不同干扰幅度下精跟踪系统X轴和Y轴的跟踪精度。实验结果表明, 对于两个正交轴对称的精跟踪系统, X轴的跟踪精度优于Y轴, 从而验证了条状噪声的存在使得X轴的光斑定位精度优于Y轴的结论, 实验结果和仿真分析结果相符。

为了便于空间激光通信中捕获、跟踪性能的测试, 提出了一种卫星振动模拟源系统设计方案。该系统主要由上位机借助LabVIEW软件解析标准振动功率谱密度函数, 将模拟出的平台振动信号传给以STM32F4为核心的控制系统, 驱动振镜进行俯仰、方位摆动。借助欧空局设计的SILEX平台模型, 推导验证了本方案的可行性, 并搭建实验现场, 通过探测器对光斑脱靶量进行了实时监测, 分析了脱靶量功率谱, 同时对在实际应用中产生的伪随机序列进行了优化与处理。实验结果表明, 设计的振动源幅值精度优于2 μrad, 模拟结果真实有效。另外由于其频率可调节, 模拟系统幅度可达±10 mrad, 故易于模拟不同的标准模型, 为复合轴捕获、跟踪和瞄准(APT)的实验室验证提供了条件。

针对激光通信捕获、跟踪、瞄准系统对光斑位置检测精度的需求，提出了基于互补金属氧化物半导体探测器的光斑位置检测精度评价方法，并用此方法量化了常用的滤波算法对光斑位置检测精度的影响。利用高精度位移平台测试相机的随机误差和系统误差，分别采用中值滤波、均值滤波、高通滤波、形态学滤波对光斑图像进行处理，并计算滤波后光斑的质心位置，比较滤波前后光斑位置的检测精度，评价滤波算法对位置检测的影响。实验表明，滤波会降低光斑位置检测精度，进而根据实验结果提出了避免上述精度降低问题出现的方法。