针对现有光空间调制传输速率和频谱效率低的问题，提出了一种超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制（OSPPM-FTN）方案。推导了Gamma-Gamma湍流信道下该方案最大似然检测时的平均误码率上界，并与已有光空间脉冲位置调制（OSPPM）系统进行了性能对比。在此基础上，针对OSPPM-FTN发送信号的特点，提出了一种多分类神经网络（MNN）信号译码器，以大幅降低计算复杂度。最后，采用蒙特卡罗方法进行了仿真。结果表明，随着加速因子的减小，所提系统的频谱效率和传输速率有明显提升，其代价是信噪比（SNR）损失。当加速因子为0.9时，相比于传统（4，4，4）-OSPPM，所提系统的频谱效率和传输速率分别提升了17%和5.5%，SNR损失仅为1 dB。同时，采用MNN译码器可逼近最大似然最优译码性能并降低其计算复杂度，当探测器数目为8和16时，计算复杂度分别降低了69.75%和89.95%。

为了克服大气湍流效应对无线光通信系统性能的影响，必须建立能准确描述大气折射率起伏的湍流模型。总结了国内外学者在大气湍流模型方面的研究进展，对不同大气湍流模型的理论建立进行深入分析并对比了其适用范围，同时介绍了在实际大气湍流中实验测量所建立的大气信道模型，最后对大气湍流模型的发展趋势进行了展望。

外泌体（Exosome）是直径大小为30～150 nm的膜性囊泡, 包裹DNA/RNA, miRNA, 蛋白质和脂质等多种物质并参与微环境中的生物信息传递, 是理想的癌症生物标志物, 在液体活检领域具有重要的应用潜力, 有望成为癌症快速检测的手段之一。 表面增强拉曼光谱（SERS）是分子振动光谱, 可从分子水平上探测物质的精细结构和信息变化, 具有“指纹图谱”的特征。 采用差速离心结合超速离心的方法获得乳腺癌细胞来源的外泌体, 以金溶胶为增强基底, 收集外泌体及其母细胞的SERS图谱, 结合多元统计分析, 进行乳腺癌细胞的快速鉴别与区分。 研究结果表明, 乳腺癌细胞及其外泌体在500～1 600 cm-1波段范围内有特征拉曼信号, 采用非标记检测所获得的图谱信息是样品“whole-organism fingerprint”整体信号的呈现。 根据外泌体的拉曼表型并结合OPLS-DA分析, 能够100%分辨3种不同类型的乳腺癌细胞。 单细胞SERS检测联合PCA-LDA分析, 区分乳腺癌细胞的准确率为83.7%。 通过比较乳腺癌细胞及其外泌体的拉曼特征图谱发现, 二者在拉曼谱图的波数高度表现一致, 但是外泌体在特征波数上显著增强。 具体体现为在506～569、 1 010～1 070 cm-1等波段二者存在相似性, 但外泌体在735、 963和1 318 cm-1等处的特征信号显著高于细胞。 分析认为外泌体结构比细胞更为简单, 核酸、 蛋白质等生物大分子信息更容易被表征。 同时也提示了通过SERS检测外泌体实现快速鉴定乳腺癌的可行性。 采用非标记、 直接检测, 建立了快速检测单细胞及外泌体的SERS分析技术, 结合多元统计分析能够快速鉴别不同类型的乳腺癌细胞, 并从拉曼组学角度探究了外泌体与母源细胞的关系。 该方法具有非标记、 快速、 灵敏、 准确、 简便的优势, 为乳腺癌的体外快速诊断与筛查提供有效的技术手段, 为临床应用奠定基础。

针对现有光无线正交频分复用（OFDM）索引调制均需接收端已知信道状态信息的问题，通过构建满足差分运算的时频弥散矩阵进行索引映射，提出了一种差分索引移位键控光OFDM方案。推导出了该方案在最大似然准则下的平均误码率上界，并与子载波索引移位键控直流偏置光OFDM（SISK-DCO-OFDM）系统进行了性能对比。其次，依据差分信号的特点，构造了一种适用于机器学习的差分信号特征向量，并结合径向基神经网络提出了一种多分类检测器，有效降低了译码复杂度。结果表明，所提差分索引方案有效避免了复杂的信道估计，同时在高信噪比下获得了近似SISK-DCO-OFDM的误码性能。所提检测器取得了近似差分最大似然检测算法的误码性能，而且复杂度大大降低，例如当子载波块长度为2和4时，所提检测器的复杂度分别降低了16.67%和70%。

为进一步提高大气光通信系统的速率和可靠性, 提出一种采用反向传播(BP)神经网络辅助检测方案以改善脉冲位置调制(PPM)和正交相移键控(QPSK)混合调制的超奈奎斯特(FTN)大气光通信系统误码率。对BP神经网络进行离线训练来提取信道特征, 从而改善了系统在时变大气信道下的误码性能。仿真结果表明: 与最大似然检测相比, 在加速因子为0.8, 误码率为10-3, 滚降因子分别为0.6和0.7时, 该方法的系统误码性能可依次提高2.0 dB和1.5 dB; 在加速因子为0.8, 误码率为10-4, 滚降因子分别为0.8和1时, 系统误码性能可依次提高2.0 dB和1.8 dB。

现有光空间调制存在传输速率低、发射器利用率低和误码性能不理想等问题，利用分层空间结构，并结合脉冲位置调制（PPM），提出了一种标记型多层光空间PPM（MMLOSPPM）。它利用额外扩展的每个PPM符号内的时隙进行层标记，提高了首先检出层及其调制符号的正确性。此外，推导出了Gamma-Gamma湍流模型下系统理论误比特率的表达式，并用蒙特卡罗方法对其进行了验证。结果表明：当频谱效率为3/2 bit·s^-1·Hz^-1时，（5×4-2-2）MMLOSPPM系统的传输速率相较（4×4-2）空间PPM（SPPM）和（3×4-2）广义SPPM（GSPPM）改善了3 bpcu（bit per channel use）；在传输速率相同的条件下，（5×4-2-2）MMLOSPPM系统所需要的激光器数目分别比（7×4-4）GSPPM和（16×4-4）SPPM节约了2个和11个，并且在大信噪比（SNR）区域（SNR大于28 dB）中MMLOSPPM系统获得了最好的误码性能。

脉冲位置调制（PPM）具有简单、抗干扰能力强等优点，但存在频带利用率不高的缺点。为了提高系统的频带利用率和传输速率，设计了一种相移键控（PSK）与PPM相结合的混合调制超奈奎斯特（PSK-PPM-FTN）速率大气光通信方案。推导了该方案在Gamma-Gamma分布大气信道下的误码率（BER）公式，并分析了BER与传输距离、波长以及时间加速因子τ之间的关系。蒙特卡罗仿真结果表明：将高阶PPM与多进制PSK相结合，能在τ≥0.8的水平通信链路中以较小的BER为代价传输更多的信息；当τ=0.8时，正交相移键控-4阶脉冲位置调制-超奈奎斯特速率（QPSK-PPM4-FTN）传输的信息量相较于QPSK提高了1.5倍，系统带宽利用率相较于PPM4提高了150%。