大气相干长度是评价激光传输系统自适应相位校正效果的重要参数,因此对大气相干长度进行测量分析具有实际应用价值。设计并搭建了一种基于差分像运动法测量大气相干长度的光学系统,并进行了外场实验,分析了西安地区全天范围内大气相干长度的变化趋势。结果表明,虽然在不同方向上测量的大气相干长度值有所不同,但总体变化趋势一致,且夜晚变化较白天更为稳定。本文结果为研究城市无线光通信系统提供了一定的参考。

天文选址的决策和激光传输系统的设计和应用需要掌握大气光学湍流的时空变化规律。利用HTP-2型温度脉动仪测量近地面湍流, 用大气相干长度仪测量整层湍流积分效应。分析折射率结构常数C■■的实测数据, 得到近地面光学湍流月平均和季平均的变化规律。分析了早晚两个“转换时刻”不同参数的变化规律。根据广义Hufnagel-Valley模式反演得到夜间、白天及“转换时刻”整层湍流廓线, 比较了不同时刻湍流廓线的特点。在连续多年实测数据的基础上所得结论全面可靠, 具有重要的工程参考价值。

大气湍流的随机变化对星地激光通信性能有所限制，高速激光通信对瞬时湍流特性的描述提出新的要求。基于剪切干涉法对大气相干长度进行直接、实时测量。通过测量经过大气扰动的畸变光波前的剪切相位分布，利用满足各态历经随机过程条件时，相位结构函数的时间平均等于系综平均的特点，结合Fried相位结构函数，得到实时的大气相干长度。采用波长为635 nm的光波进行1.2 km距离实验，成功测得了大气相干长度，并通过对比实验验证了其可行性，解决了在高速激光通信中，传统的测量大气相干长度方法在时间累积和统计分析方面的限制。

讨论了由大气湍流造成的望远镜导行误差，这一误差将给望远镜光电导行的精度带来较大影响。其中使用单点源目标的导行精度受限于大气相干长度和大气相干时间，而多点源目标及面源的导行精度还与湍流随高度的变化有关。通过分析和仿真（数值模拟）结果表明，现代天文观测必须考虑大气湍流对光电导行精度的影响。通过延长曝光时间可以有效降低湍流大气的影响，同时也降低了光电导行的反馈控制频率。当导行信标为多星或面源则可在一定程度上降低高层大气湍流带来的光电导行误差，从而可以适度减少光电导行曝光时间，提高其反馈控制频率。

以水平方向距仪器1 000 m的卤钨灯为光源, 通过同步对比实验探究了两台四孔大气相干长度仪的系统性能。实验结果表明, 由它们测得的大气相干长度的大小和总体变化趋势能够较好吻合, 相关性系数均在0.94以上, 具有较好的一致性。在此基础上, 进一步研究了Dome效应对该系统性能的影响。该效应的影响主要表现在使大气相干长度变小, 其强度则由系统沿光路方向移动的距离决定。当移动距离小于15 cm时, Dome效应较弱, 不会对实验结果产生明显影响; 在距离从15 cm增至55 cm的过程中, 其强度不断增加, 并在55 cm处达到最强, 此后则不再随距离的增加而变化。在整个实验过程中, 实验结果的相关系数始终在0.9以上, 即Dome效应对大气相干长度的总体变化趋势没有明显影响。

介绍了一种利用成像激光光斑测量大气湍流廓线的激光雷达原理。通过对分层大气湍流的光束波面变化的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用平面波近似算法反演湍流强度廓线。通过搭建的大气湍流廓线激光雷达实验系统获得了湍流廓线的实验数据,并且与系留飞艇搭载的温度脉动仪在同时段固定高度进行了对比实验,验证了近似递推算法的可行性。最后对实验中出现的误差进行了讨论。

用两种方法获得有限高度斜程大气相干长度.一种方法用安置在测量铁塔上的温度脉动仪以及多普勒声雷达测量了大气边界层下部折射率结构常数廓线,用以计算有限高度球面波斜程大气相干长度;另一种方法用系留气球搭载一个点光源,在地面用差分光学系统接收球面波到达角起伏法测量了实时斜程大气相干长度.对实验结果进行了比较和分析,二者都反映了实际大气斜程相干长度的时间变化特点.两种方法结果的相关性比较好,因此两种方法都可以在大气光学传输研究中应用.最后在实验的基础上对湍流廓线计算球面波斜程大气相干长度作了讨论.