相对射频通信而言,空间光通信具有传输速率高、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、功耗低的优势,是下一代无线移动通信技术发展的重要方向之一。光束捕获跟踪技术是在平台相对运动和振动下保持空间光通信链路稳定的关键,通常采用粗精两级复合轴控制实现,即是:由伺服机构作为粗级执行器、面阵探测器作为粗级传感器对信标光进行扫描和粗跟踪;在粗跟踪基础上,通过粗精两级视场接力,由快速转镜作为精级执行器、四象限探测或高速焦平面阵列作为精级传感器对信号光进行精跟踪。近年来,德国提出了一种用于星间光通信的无信标捕获跟踪技术,利用快速转镜与伺服转台联动,使信号光快速扫描不确定域,从而取代大功率信标光的捕获和粗跟踪,简化系统结构的同时降低系统功耗。虽然无信标捕获跟踪技术非常适合于在负载能力受限的无人机上使用,但是以往研究普遍针对星间光通信场景,鲜有针对大气光通信场景。不同于星间光通信,大气光通信场景会由于大气湍流的存在,而影响无信标捕获跟踪。因此,本文将考虑大气湍流对捕获和跟踪的影响,研究大气光通信无信标捕获跟踪技术。主要研究工作如下:1在大气光通信无信标捕获环节,由于无人机平台位置姿态精度有限导致不确定域较大,为较短时间内实现全域扫描覆盖,本文提出了一笔画扫描的新模式,整个扫描一笔画完成,解决了传统无信标扫描子区间过渡耗时较大的问题,在相同参数下,传统无信标扫描时间为87.7s,一笔画扫描时间为52.9s,从而大大缩短了扫描时间,便于位置姿态精度有限的无人机平台能够快速覆盖不确定域。采用湍流影响下的光强起伏对数正态分布模型替代传统高斯分布模型进行捕获概率分析,提高大气下的捕获概率分析准确性,相同参数下,得到传统高斯分布模型下的捕获概率为98.8%,对数正态分布模型下的捕获概率为92.3%,结果表明,受到大气湍流的影响,探测器的捕获概率也会降低。2在大气光通信无信标跟踪环节,由于大气湍流对跟踪将产生影响,本文基于波前倾斜校正下的相位屏仿真和Simulink系统建模,分析了大气下的散斑重心提取误差对无信标复合轴控制系统跟踪精度的影响,为界定大气光通信无信标跟踪性能提供指导。结果表明:在相距2.4Km、接收孔径0.2m、Cn~2=1*10-15m-2/3条件下,大气扰动噪声在几μrad内浮动,系统可补偿此时扰动误差;实验条件较为苛刻的强湍环境Cn~2=1*10-13m-2/3下,大气扰动噪声在几十μrad内浮动,系统可补偿此时扰动误差,但此时噪声引入的误差不可忽略,在后续通信性能分析时,应考虑该误差。3开发了大气光通信无信标捕获跟踪的实验验证系统,在相距2.4Km、相对运动3°/分钟条件下对上述理论和仿真研究进行了实验验证。本论文研究紧扣大气效应影响,从理论、仿真、实验三个方面对大气光通信无信标捕获跟踪技术开展了可行性研究,为无人机光通信上使用无信标捕获跟踪技术提供了坚实的理论和实验指导。