空间光通信技术具有数据传输速率高和抗干扰能量强等优点,逐步应用于深空通信和大规模组网等领域。星载光通信终端通过捕获、跟踪、瞄准(Acquisition,Tracking and Pointing,ATP)系统检测入射光束角度,控制光学天线指向,以建立稳定的通信链路。为降低终端的功耗和体积,新一代ATP系统正在向无独立信标光的光束位置检测技术演进。此类ATP系统舍弃了单独的信标激光器,而是从信号光中分离出部分光束作为信标光,这使得光束位置探测器接收到的光束能量降低。此外,为满足卫星大规模组网的灵活性,通信终端中收发激光束处于相同的波段并共用部分光学组件,造成部分本地出射信号光会被反射,并和接收光一起进入光束位置探测器中。因此,如何对微弱信标光进行精确位置检测是一个非常重要的问题。针对该问题,论文选用了灵敏度高,可直接输出连续光电流信号的四象限探测器(Four-quadrant detector,QD),从线谱信号增强的角度研究对强噪声的抑制和对强干扰信号的分离。论文的主要工作如下:(1)研究了QD的检测模型,分析了其主要噪声分布模型。QD根据其输出的4路光电流幅度的比值来检测光斑位置,其检测精度受光斑半径、光斑位置和输出信噪比(Signal to noise ratio,SNR)的影响。因此,基于QD的光斑位置检测技术的核心是:如何在强噪声环境中提高对光电流信号幅度值的检测精度。而影响QD的主要噪声有背景辐射噪声、热噪声和散粒噪声,这几类噪声都可以等效为宽带高斯噪声。(2)论文利用单频信号对光束进行强度调制,将QD输出信号转换为线谱信号,从而用线谱信号分析的方法提高光束位置检测精度。线谱信号的能量集中在某一频点之上,因而常用的快速傅里叶变换(Fast Fourier-transform,FFT)可从噪声中提取到QD输出光电流的幅度值。实验中,在输出信噪比为-7.83d B时,直接FFT法对光斑的位置检测的绝对误差维持在0.016mm以内。但直接FFT法的缺点在于:没有抑制噪声,导致噪声基底过高,当信噪比降至-10d B以下时,该方法无法提供足够的信噪比增益,不能保证光束位置的检测精度。(3)针对直接FFT法提供的信噪比增益不足的问题,论文提出了加窗时域反卷积(Windowed time reversal convolution,TRC)和循环互相关(Cyclic cross-correlation,CCR)线谱增强算法抑制强噪声,以获得较大的信噪比增益,解决了极低信噪比条件下,对微弱光斑进行精确位置检测的问题。TRC算法利用线谱信号在时域中的自相关特性,改变了有效信号和噪声的能量分布状态,将有效信号的能量分散在信号包络之中,而将相互独立的宽带噪声信号能量集中在0时刻处。由此,可通过窗函数抑制噪声而保留有效信号,增强信号线谱,达到精确检测微弱光电流信号谱线幅度的目的。但该方法在抑制噪声的同时,牺牲了部分有效信号能量,导致光束位置检测结果的线性度降低。针对TRC算法检测结果线性度较低的问题,论文提出了CCR算法进行微弱光电流信号的幅度检测。该算法通过构建一组无限长的参考信号,可循环与检测信号进行多次互相关运算,在时域中对有效信号进行反复累积,而互不相关的强噪声则在无法产生累积效果。因此,CCR算法可在不损耗有用信号能量的前提下,抑制强噪声。在实验中,两种方法都能够精确的检测光斑位置。当QD的输出信噪比降低至-17.86d B时,TRC算法仍可将绝对误差控制在0.0162mm以内,CCR方法可将绝对误差控制在0.0183mm以内。(4)针对同波长强反射光干扰问题,论文使用偏振态隔离技术抑制反射光,对反射光的衰减达到-63d B左右。但偏振隔离技术无法完全隔离反射光,入射探测器的反射光功率比信号光功率高出14d B。论文提出利用线谱增强算法的谱线选择能力,解决了强反射光干扰的问题。论文分别使用不同频率的单频信号分别对收发光束进行强度调制,然后利用自适应陷波器(Adaptive notch filter,ANF)进行线谱分离,再使用TRC算法增强有用信号谱线,从而实现对微弱光电流信号幅度的检测。针对ANF-TRC方法检测结果线性度较差的问题,论文推导了CCR算法抑制单频干扰信号的条件,并按条件构建了参考信号,成功完成对强干扰线谱信号的分离。实验中,当照射在QD靶面上的两个光束功率相差100倍时,两种方法都成功的完成了对光斑位置的检测,检测精度分别达到了0.0148mm和0.0165mm。