卫星与地面之间的激光通信链路具有传输速率高,保密性能好,抗干扰能力强,卫星通信终端体积小,功耗低,质量轻等诸多优点。近几年,星地激光通信技术无论在理论研究上还是在工程实验上都取得了很大进展,一些新兴的技术正在不断地涌现。虽然星地光通信技术优点很多,发展很快,但至今仍未被大规模地商用,很多搭载到卫星上的光通信终端与地面接收站之间成功地建立了进行高速传输的光链路,但也只是处在实验阶段。限制星地光通信技术大规模实用的最重要因素便是大气信道对光通信系统的不良影响。本文的研究目的在于,通过改善地面望远镜结构和改进信号处理方法来抑制大气对通信系统的不良影响。主要研究内容可以大致分为两大部分,第一,分析地面站接收孔径的个数与孔径大小及信道参数对相干光链路的影响;第二,改进现有的用于多孔径相干光通信系统的数字信号处理算法,以提高通信系统性能。本文完成的主要原创性工作有:(1)分析了MIMO系统中天线个数与孔径大小及信道参数对通信系统的影响。多发多收(MIMO)技术和大孔径接收技术都可以有效地抑制光强闪烁对通信系统的不良影响,从而降低系统误码率。本文根据大气信道模型和相干接收机模型,分析了不同星地链路的信道参数、不同接收孔径个数与接收孔径面积、不同的激光器个数与波长、不同的信号合并算法对星地相干通信系统的影响,以上分析分别围绕点接收机模型和孔径平滑模型两方面展开。在分析MIMO系统的过程中,对MISO和SIMO系统也进行了详细的讨论。并且在分析孔径平滑模型下的MIMO系统之前,对SISO链路的误码率、断码率和信道平均容量也给予了详细的讨论。(2)模拟出了不同直径的接收机对应的光强闪烁曲线。根据外场实验情况,对外场实验采集到的信道数据进行了分析,并从这些实验数据出发,根据现有的数学模型,模拟出直径大小不同的接收机接收到的信号光强的闪烁情况。(3)改进了基于高阶统计量的信道估计算法。大气信道可以视为慢衰落信道,在较高信噪比下,基于高阶统计量的信道盲估计算法可以得到精度很高的信道状态值。但在低信噪比情况下,这种算法误差较大。本文对这种基于高阶统计量的信道估计算法进行了改进,新的算法在低信噪比的湍流信道下,也可以获得较小的估计误差。(4)提出了单点复数点积与卡尔曼滤波相结合的多路信号相位差的估计方法。卫星上同一激光器发下来的信号被多个接收孔径接收到以后,形成多路信号,要将这多路信号合并起来,在合并之前要使这多路信号的相位一致,这就需要对这多路信号之间的相位差进行估计和补偿。本文将卡尔曼滤波与单点复数点积相结合,用于多路信号之间的相位差估计,结果显示这种方法在湍流信道下也能表现出很好的性能。(5)将卡尔曼滤波与Viterbi-Veterbi算法相结合,提高了相偏估计的精度。相干接收技术可以有效提升接收机的灵敏度,从而提高光通信系统的可靠性。而基于数字信号处理的相干接收技术在工程上更具可行性,有着更为广阔的应用前景。实现相干接收需要对信号光与本振光之间的相位差(相偏)进行估计和补偿,本文提出了一种Viterbi-Veterbi算法与卡尔曼滤波相结合的相偏估计算法,这种新算法与传统的Viterbi-Veterbi算法相比,在低信噪比下依然可以达到很高的估算精度。将这种算法应用到MIMO系统中去,可以使系统的误码率接近理论极限。