相位失真是实现涡旋光束轨道角动量复用技术实际应用的主要挑战之一。本文提出了一种基于深度学习的复合贝塞尔高斯涡旋光束大气湍流效应补偿方法，以提高模态分离与检测准确度。设计的网络通过学习不同轨道角动量下畸变光束强度分布与湍流相位之间的映射关系，具备了适应未知湍流环境的泛化能力，可以有效地预测等效湍流相位屏。仿真结果表明，复合贝塞尔高斯光束在不同湍流强度下传输1000 m并经过相位补偿后，光强相关系数可提高至0.97以上；在强湍流下传输1500 m并经相位补偿后，拓扑荷数为10的模式纯度从2.43%提高至64.07%。该方法对畸变光束具有更强的特征提取能力，在快速准确预测等效湍流相位屏方面具有良好的泛化能力，有助于提高未来轨道角动量复用技术的可靠性。

涡旋光束在大气中传输时的湍流效应导致其轨道角动量发生串扰,传输质量下降。为了有效减小光波在大气传输中的湍流影响,探索减缓湍流效应的措施,利用螺旋谱分析理论,研究了各向异性非Kolmogorov大气湍流及光束参数对聚焦贝塞尔光束的螺旋谱展宽和接收功率的影响。结果表明,光束的波长、拓扑荷数、束腰半径、宽度参数以及湍流的强度、各向异性程度、内外尺度均会对接收功率产生影响。通过多层相位屏模拟法对比研究了聚焦与准直贝塞尔光束的螺旋谱分布情况,分析得出聚焦贝塞尔光束的接收功率更高、串扰功率更低。

针对复合涡旋光束拓扑荷信息测量的问题, 提出了一种利用其光强分布特征及经遮挡部分方位角的椭圆形光阑的衍射图样检测各子光束携带拓扑荷信息的方法。仿真结果表明：复合光束光强分布图中亮条纹数目和拖尾方向分别表征子光束拓扑荷差的绝对值和较高阶拓扑荷的符号; 衍射图样中暗条纹数目和条纹分布特点分别反映低阶拓扑荷的大小和符号。该方法可用于复合涡旋光束拓扑荷信息的检测。

分析了基于非均匀采样功率谱反演大气湍流相位屏的算法, 该算法可进行并行处理, 并引入图形处理单元(GPU), 在不影响模拟精度的前提下有效提高了相位屏的模拟速度。利用Kolmogorov功率谱, 基于GPU技术生成大气湍流相位屏; 对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析, 并与理论值进行比较。结果表明利用GPU技术模拟的大气湍流相位屏与理论值非常吻合, 具有很高的模拟速度和精度, 大幅提高了大气湍流相位屏的生成速度。

为了研究随高度变化的大气湍流外尺度对斜程路径点目标回波闪烁指数的影响，基于修正Rytov方法，将斜程路径下双基系统及单基系统点目标回波的闪烁指数模型拓展至中度及强起伏湍流区域。该模型不仅包含内尺度因素，而且考虑了随高度变化的外尺度因素。数值模拟结果表明：当湍流起伏较弱时，外尺度对于闪烁指数的影响远小于内尺度；但当系统处于中度及强起伏湍流时，随高度变化的外尺度因素的影响作用明显，不可忽略。在激光通信、激光探测等系统中，可利用该研究结果对系统所处湍流区域引起的闪烁效应进行预测，以调整系统至最佳配置。

大气湍流是影响光学成像系统分辨率不可避免的因素之一。为了研究大气湍流内外尺度、湍流轮廓线及探测高度对光学成像系统分辨率的影响，根据光学成像系统积分分辨率理论及修正Von Karman湍流谱，推导了斜程传输路径下考虑湍流内、外尺度的光学成像系统的分辨率积分公式。数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气折射率结构常数模型，结果表明：湍流内尺度对光学成像系统分辨率的影响要远小于湍流外尺度对分辨率的影响，而湍流内尺度又限制着外尺度对光学成像系统分辨率的影响；斜程传输时，湍流轮廓线的影响大于外尺度对积分分辨率的影响；光学成像系统分辨率在近地面受近地面大气结构常数的影响大，而当高度大于5 000 m时，光学成像系统分辨率受风速的影响大。

卫星上的角反射器在空间探测、跟踪目标时不可避免要受到大气湍流的影响，湍流效应会使光强产生明显的起伏，即光强闪烁，严重影响探测信号的质量。为了探索大气湍流的内外尺度对闪烁效应的影响，基于随高度变化的ITU-R大气折射率结构常数模型，应用受内、外尺度影响的湍流折射率起伏功率谱，对激光从发射机到角反射器和从角反射器到接收机双斜程路径回波的闪烁指数进行了研究，推导了反射器回波闪烁指数与菲涅耳率的变化关系。数值计算结果表明：在弱湍流区，湍流内尺度对回波闪烁指数的影响大于外尺度；在强湍流区时，随着外尺度的增大，回波的闪烁指数也在增加，且大于内尺度对闪烁指数的影响。

微透镜阵列是夏克哈特曼波前传感器的核心部件。根据液晶空间光调制器(LC-SLM) 的相位调制原理，控制LC-SLM生成焦距、子孔径尺寸和排布方式可调的微透镜阵列，应用于哈特曼波前传感器，对入射光波进行分割，测量子孔径内波面的平均斜率，复原出入射波面的相位分布，以此为校正信号，对畸变波面进行单步校正，校正前后光波的斯特列尔比值从0.12变为0.59。 针对LC-SLM产生的微透镜阵列，讨论了透镜焦距、相邻间距、阵列数目及微透镜性能各影响因素。理论和实验结果表明，基于LC-SLM的动态哈特曼传感器具有子孔径大小、数目和排布方式根据外界条件变化控制灵活，可动态变化的优点。

为了研究大气湍流的闪烁效应对合成孔径激光雷达成像的影响，基于Kolmogorov湍流谱模型，根据Mellin变换技术及随高度变化的大气湍流结构常数模型推导了大气湍流中激光波束斜程传输时接收机处波束的对数振幅方差；数值分析了不同目标高度、不同波长情况下对数振幅方差随传输距离的变化关系；利用此结果根据大气湍流中激光反射回波闪烁效应的概率密度函数对大气湍流中未经滤波的合成孔径激光雷达成像进行仿真，结果表明随着波束对数振幅方差的增加即湍流强度的增加，图像变得越来越模糊。特别当湍流接近饱和时，目标几乎无法识别，影响成像系统的分辨率。