大气湍流是影响激光大气传输的主要因素之一, 由于实际大气湍流的不可控, 所以开展激光大气传输效应研究时需要在实验室建立稳定、可控的模拟大气湍流。此外, 同时对多个大气湍流参数进行实时测量也是大气湍流参数测量技术中一个很有意义的研究课题。利用热风受迫对流在实验室研制了大气湍流模拟装置, 研究了大气相干长度、大气湍流强度、内尺度等大气湍流参数的实时测量技术; 在几何光学近似的条件下, 利用光学方法测量了经实验室模拟湍流大气传输后的光束强度起伏和到达角起伏, 从而获得实验室模拟大气湍流的参数, 并通过分析实验测量数据, 给出大气湍流参数的测量不确定度; 最后, 对实验测量数据与相关文献测量数据进行了比对。结果表明所建实验室大气湍流模拟装置可用于大气湍流参数实时测量技术研究和实验室激光大气传输效应研究。

激光通信地面站址的大气信道特性决定着设备性能的有效发挥。 选择四个候选站址,西藏阿里、青海德令哈、四川稻城和河北兴隆,统计检验云量覆盖、 大气透过率、天空辐射度和大气湍流等特征对激光通信的影响。结果显示,单站可用度 条件以阿里为最佳；三站联合可用度以阿里-德令哈-兴隆最好,在少云条件下(云量低于60%)全年可用 度85%以上;少云条件下的四站联合可用度在5～8月为91%～96%,其它月份98%以上。 四个候选站址的大气光学特性均能满足激光通信传输的要求。高海拔站址的大气透过率与辐 射度有明显优势,阿里、稻城的夜间大气相干长度在10 cm以上,德令哈在8～12 cm间, 兴隆站在6 cm以上。在多站联合模式下应能在高海拔的少云区选择出足够高可用度的站址。

大气折射率结构常数在自适应光学系统、天文观测以及大气湍流模型等研究领域都有着重要的意义。基于差分像移的大气湍流廓线的测量原理, 研制了一套距离分辨的大气湍流廓线激光雷达。差分像移湍流廓线激光雷达相比传统湍流测量技术对仪器误差, 比如震动和离焦不敏感, 可以对目标进行实时的主动探测, 并能够得到测路径上随距离分布的大气湍流廓线。介绍了差分像移湍流廓线激光雷达的基本原理与系统结构, 利用该湍流廓线激光雷达进行了外场探测实验, 探测距离信号发射点200~8 000 m的目标大气, 距离分辨率为200~1 000 m, 共13个采样点。采用50 Hz帧率的ICCD相机获取信号, 每个采样点测量20 s, 获得1 000张图像, 计算出对应的差分像移, 并进一步反演出对应的折射率结构常数, 得到了大气湍流的距离分布廓线, 最后对实验的结果与过程进行分析, 验证了该激光雷达系统的功能性。

利用CE318型太阳光度计测量气溶胶光学厚度和波长指数的反演计算方法,选择晴好天气下新疆戈壁地区的 大气气溶胶光学厚度和波长指数数据进行统计分析,给出5种典型气溶胶光学厚度日变化类型。并对日均气溶 胶光学厚度进行月季变化特性分析,6～8月气溶胶光学厚度最小,达到0.1,而4月最大均值达到了0.73。 波长指数的分布和气溶胶光学厚度存在近似的反相关性,说明该地区的气溶胶光学厚度主要受沙尘 性气溶胶的平均粒径所影响。

湍流廓线激光雷达是近十年出现的测量大气湍流强度廓线的新技术，目前数据处理已成为该技术的关键环节。对湍流廓线激光雷达的数据处理方法进行了详细地描述，重点研究了双光斑图像背景阈值计算方法与大气湍流强度廓线反演算法。比较了迭代法、最大类间方差法和统计法三种背景阈值计算方法分别在强信号与弱信号下的计算结果，得出统计法是比较适合双光斑图像的背景阈值计算方法。在背景阈值计算的基础上对图像进行分割并计算得到双光斑的质心距，统计多帧图像的质心距起伏得到达角起伏方差。然后利用HV-21模型模拟了从到达角起伏方差反演大气湍流强度廓线的算法，所得结果与原始值大小相近、整体变化趋势一致，但是不能反映原始值的细节变化趋势。

优化设计了一种双环变迹镜。该变迹镜由同心的，交替排列的透光圆环和不透光圆环组成，经过双环变迹镜调制的光波入射至光学接收系统，后经光学成像系统将所接收的光波成像聚焦，数据采集与处理系统对电流信号进行采集和处理，得到沿测量路径的等晕角。这种变迹镜相对于国内现有的单孔径变迹镜，能够在所有高度很好的模拟孔径滤波函数W(z)≡cz5/3，所得等晕角相对误差明显较小，可以实现对等晕角的高精度测量。

利用大气相干长度测量仪和温度脉动仪，在新疆戈壁地区湖面测量了近水面大气湍流强度，将大气折射率结构常数归算到等路径的大气相干长度，进行了比对分析。选择晴好天气，对近水面大气湍流强度进行统计分析，给出了典型的近水面大气湍流强度变化特性。结果显示，秋季晨昏弱湍流时段不明显，持续时间约1 h，日出弱湍流时段主要分布在9:00左右，日落弱湍流时段主要分布在21:00左右；白天强湍流时段持续时间长达6~8 h，主要分布在12:00~20：00；夜间湍流明显强于白天，相对于陆地较为平稳。

为了在激光大气传输四维数值模拟中考虑激光光束抖动带来的影响，推导了光束抖动倾斜角与Zernike多项式低阶项系数之间的关系，提出了一种激光传输光束抖动效应的数值模拟方法。为验证该数值模拟方法的正确性，针对均匀聚焦光束，计算了大气湍流与抖动效应综合作用下长期光束扩展角半径，数值模拟计算结果与理论公式计算结果基本一致，验证了激光传输抖动效应数值模拟方法的正确性。

为了实现半导体激光器的光束准直, 分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元, 提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后, 快轴方向剩余发散角约为0.34°, 慢轴方向剩余发散角约为2.69°。结果表明, 像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直, 而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。