卫星光通信是卫星通信技术的一个新的发展方向。它利用激光作为信息传输的载体在卫星—地面站和卫星间建立光通信链路。量子密码术，确切地说是量子密钥分配，采用单光子通信技术，通信双方通过共同的量子信道和经典信道分配密钥。其绝对安全性由量子力学的基本原理来保证。将量子密码术与卫星光通信相结合，进行卫星光通信中的量子密钥分配技术研究，是一项全新的开创性研究工作。目前，基于自由空间量子信道的量子密钥分配研究主要集中在地面点对点大气光路的量子密钥分配实验。为了实现全球任意两点间保密通信，需要通过卫星进行量子密钥分配。但是，卫星—地面站、地面站—卫星和卫星间量子密钥分配实验还没有进行。一旦卫星量子密钥分配实验取得成功，人们就可以通过卫星实现最安全的全球通信，奠定绝对安全的全球天地一体化光通信网络的实用化基础。本论文以卫星光通信为背景，对自由空间量子信道的量子密钥分配进行理论表征，同时进行相关实验验证。　　在理论方面，分析并完善了自由空间量子密钥分配过程、单光子捕获理论模型、量子比特率理论模型和量子误码率理论模型，建立了偏振跟踪理论模型。　　对自由空间量子密码术协议即BB84协议和B92协议进行了理论分析。给出了BB84协议和B92协议的量子密钥编码原理。分析了量子密钥分配过程。针对自由空间量子信道特点，通过引入瞄准捕获跟踪和单光子捕获两个非量子过程，分析并完善了自由空间量子密钥分配过程。　　基于光子的粒子性，给出了单光子捕获概率的定义，它描述了发射机和接收机间的光学耦合和损耗。从麦克斯韦方程出发，基于量子力学的概率诠释，分析并完善了单光子捕获概率理论模型。基于基模高斯光束，分析了两种单光子捕获概率理论模型，并对两种理论模型进行了比较。基于厄米—高斯光束和拉盖尔—高斯光束，分析了单光子捕获理论模型。针对低轨卫星—地面站间链路，采用高阶高斯光束，单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法，可使得接收机以最大概率捕获光子。　　针对实际自由空间量子密钥分配，采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲作为单光子源，通过引入量子测量因子和数据筛选因子，分析并完善了量子比特率理论模型，分别给出了原始、经过数据筛选和经过蒸馏的量子比特率的表达式。通过与理想单光子源的比较分析，给出了泊松分布单光子源的优化方程。分析并完善了量子误码率理论模型，给出了量子误码率的表达式。对于自由空间量子密钥分配，引起量子误码率的主要因素是光学元件、探测器暗噪声和背景光。针对低轨卫星—地面站间链路，对量子比特率和量子误码率进行了分析。对BS窃听中窃听率的表达式进行了修正，分析了低轨卫星—地面站间链路的BS窃听问题。　　建立了基于半波片的偏振跟踪理论模型。给出了基于半波片的偏振跟踪原理，通过旋转半波片实现对偏振“零”方向的跟踪。针对BB84协议和B92协议，给出了三组共轭基六个光子偏振态的变换关系式，分析了基于偏振跟踪的量子密钥编码原理。建立了基于法拉第旋转器的偏振跟踪理论模型，通过调节磁感应强度实现对偏振“零”方向的跟踪。　　本论文中的单光子捕获理论模型、量子比特率和量子误码率理论模型以及偏振跟踪理论模型为实现卫星量子密钥分配中的单光子捕获技术和偏振跟踪技术，为实际卫星量子密钥分配系统设计提供了理论基础。　　在实验方面，对自由空间偏振跟踪进行了实验研究。实验分析了白天和夜晚接收光功率。测量了白天和夜晚典型的偏振消光曲线。通过测量偏振消光曲线，能够进行偏振基校准和确定偏振误差。进行了基于半波片的自由空间偏振跟踪实验。该实验证实了在自由空间量子密钥分配中通过旋转半波片进行偏振跟踪是可行的。更为重要的是，该实验验证了基于半波片的偏振跟踪理论。