无线光通信具有速率高、抗干扰、体积小、重量轻、功耗低的优势,是未来通信技术发展的重要方向之一,在载荷受限的小卫星、无人机上具有巨大的应用价值。目前,绝大部分无线光通信研究基于高斯光束。而平顶光束中心光强分布更均匀、大气湍流展宽更小,具有提升无线光通信性能的潜力,正受到越来越多的关注。然而,现有平顶光束无线光通信性能研究普遍基于光轴静止的经典光传输理论,研究结论仅适用于固定应用场景。在移动应用场景下,需要光束捕获跟踪机构来建立和保持无线光通信链路,其跟瞄误差会引起光轴抖动。如何整合跟瞄误差理论和经典光传输理论成为平顶光束无线光通信性能研究亟待解决的科学问题。本文将面向小卫星、无人机等移动应用场景,引入跟瞄误差,创建自由空间和大气湍流下的平顶光束无线光通信性能模型,搭建仿真环境,开展对比验证。具体研究内容包括:一、自由空间中的平顶光束无线光通信性能研究。面向小卫星应用场景,从平顶光束的自由空间衍射理论出发,基于平顶光束远场光强分布,结合跟瞄误差概率密度函数,建立了接收功率、信噪比、功率起伏概率密度函数、中断概率和平均误码率等性能的统计模型。将平顶光束远场光强分布近似为柱形分布、将圆形接收口径近似为弧形口径,首次获得了自由空间平顶光束无线光通信性能统计模型的解析式。构建了蒙特卡洛仿真环境。验证了理论结果的准确性、开展了平顶光束与高斯光束无线光通信性能的对比研究。结果表明:相对高斯光束,自由空间平顶光束对跟瞄误差不敏感。如果小卫星姿态控制精度能够达到几十μrad,在小卫星无线光通信中使用平顶光束,可以不再使用MEMS转镜,保障通信性能的同时还能大大简化系统复杂度。二、大气湍流下的平顶光束无线光通信性能研究。面向无人机应用场景,从平顶光束的大气湍流传输理论出发,基于平顶光束长周期平均光强分布,结合跟瞄误差概率密度函数和湍流引起的功率起伏概率密度函数,建立了平均接收功率、平均信噪比、跟瞄误差和湍流的联合功率起伏概率密度函数、中断概率和平均误码率等性能统计模型。将平顶光束长周期平均光强分布近似为高斯型分布、将圆形接收口径近似为方形口径,首次获得了大气湍流平顶光束无线光通信性能统计模型的解析式。构建了具有跟瞄误差的相位屏仿真环境。验证了理论结果的准确性、开展了平顶光束与高斯光束无线光通信性能的对比研究。结果表明:相对高斯光束,大气湍流下的平顶光束对跟瞄误差更敏感。但是在现有无人机十几μrad的跟瞄误差下,采用平顶光束能够大大提升通信性能。综上所述,本文全面攻克了自由空间和大气湍流下的平顶光束无线光通信性能分析与设计难题,深入探讨了平顶光束在小卫星和无人机无线光通信中的应用模式和应用成效,为后续终端研制奠定了坚实的理论基础、提供了明确的设计指导。