随着空间技术的迅速发展,微波通信已经无法满足人类社会日益增长的实时数据传输带宽的需求,而空间光通信是解决高速数据传输带宽技术瓶颈的最佳办法。由于空间光通信具有潜在广泛的应用前景,它已经成为世界各科技强国研究的热点,但空间光通信原理与技术至今为止仍不够成熟。瞄准、捕获与跟踪(Pointing, Acquisition and Tracking, PAT)技术作为空间光通信系统中一项非常关键的技术,是空间光通信链路建立和维持的重要保障,其性能优劣直接关系到整个通信系统的成败。采用复合轴控制结构的PAT系统通常由粗跟踪系统、精跟踪系统和超前瞄准部件组成,能够实现大范围、高精度、远距离的跟瞄功能,而整个PAT系统的性能指标在很大程度上取决于精跟踪系统。本文以空间光通信地面演示系统为平台,从理论和实验上深入研究了精跟踪系统中的若干关键技术,为我国未来建立空间光通信系统提供精跟踪方面的技术支撑和实践经验。本课题研究内容依托国家预研重大项目。文中首先介绍了激光通信原理和PAT系统的基本概念、关键技术、国内外研究现状及发展趋势,其次简要分析了空间光通信系统链路构成和误差来源,讲述了PAT系统工作原理及其元器件选型。本课题组研制的精跟踪演示系统样机中,光电探测器选用高帧频CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)相机,快速反射镜(Fast Steering Mirror, FSM)采用压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics, PZT)作为执行部件。PAT系统利用复合轴控制结构来对激光信标光束进行实时跟踪,同时分析与研究跟瞄误差对单模光纤耦合接收信号光功率的影响。在信标光斑识别定位方面,在低信噪比和复杂背景条件下,比较了常用的几种阈值分割法和定位算法的性能优劣,同时兼顾图像分割算法的实时性和有效性。采用开小窗口技术,通过自适应阈值分割和改进的质心法对激光信标进行精确定位。在控制策略研究中,详细阐述了鲁棒控制和PID控制在控制系统的分析与设计,并对它们进行了比较研究。考虑到精跟踪控制系统的不确定性,提出了鲁棒控制算法,实验结果表明,系统动态性能明显改善。最后,在不同环境条件下,分析和讨论了精跟踪实验结果。首先在室内搭建精跟踪演示系统平台,依据外界干扰的先验知识,通过信号发生器来模拟不同类型和频率的信标光斑抖动,利用本课题组研制的精跟踪系统对信标光束进行实时跟踪补偿,来验证PID控制器和鲁棒控制器的有效性与稳定性,其3dB跟踪带宽高达50Hz。其次,在外场地面分别成功完成了相距1.2km和16km点对点的大气激光通信实验,精跟踪系统精度分别达到3urad和lOurad。本文研究内容为以后的PAT系统理论研究和工程设计提供了重要的参考价值。