综合利用微波辐射计、风廓线雷达、自动气象站、温度脉动仪及历史探空资料等多源测量数据可实时估算整层大气光学湍流。本文通过构建实时大气参数廓线，计算边界层高度，在边界层和自由大气层分别采用指数递减模式和Dewan外尺度模式估算大气折射率结构常数（Cn2）廓线，拼接后积分实现了大气相干长度（r0）的实时估算，并与相干长度仪实测r0进行了对比。通过误差分析可知，r0的模式估算值与实测值在大气层结不稳定状态均方根误差最小，相关性较好，在稳定和近中性状态均方根误差较大，相关性较差，尤其在近中性状态均方根误差最大。研究结果表明，利用多源大气测量数据，采用分层估算的方法实时估算整层大气光学湍流是可行的，具有一定的工程应用价值。

提高星光大气折射模型精度对于改善天文导航系统的精确性具有重要意义。本文针对目前常用的美国标准大气（USSA）和COSPAR国际参考大气（CIRA）参考模式精度较低的问题，利用高分辨率的美国国家环境预报中心（NCEP）大气参数数据结合傅里叶插值算法建立了大气参数时空变化模型，根据不同高度、不同经纬度的大气折射率，计算了星光在大气中的传播路径，并建立了星光大气折射模型。与现有模型对比分析表明，本文建立的大气温度时空变化模型拟合实测数据时的相对误差小于2%，平均绝对误差小于3.5 K，大气密度拟合的相对误差小于4.39%，1月低纬、中纬和高纬的折射时空模型与传统单点模型之间的相对误差分别为37.64%、9.79%和28.78%，7月低纬、中纬和高纬的折射时空模型与传统单点模型之间的相对误差分别为27.95%、26.89%和39.10%，因此考虑了时空变化的星光大气折射模型理论精度更高。

为了探究沙尘污染过程中高时空分辨率的结构特征, 利用相干多普勒测风激光雷达、地面观测站、中分辨率成像光谱仪, 结合卫星气溶胶光学厚度数据产品、欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料（ERA5）以及混合单粒子拉格朗日积分轨道（HYSPLIT）后向轨迹模式, 分析了2019-10-27~2019-10-28内蒙古自治区锡林郭勒盟一次典型的沙尘天气过程。结果表明, 此次沙尘是受高空冷涡、蒙古气旋的共同影响, 配合冷锋在高温时段过境沙源地, 热力叠加动力条件有利于沙尘随西风扩散; 沙尘来临前后, 地表气温变化明显;卫星产品、HYSPLIT模式结合雷达风廓线可以更准确地确定沙尘来源, 激光雷达反演的气溶胶消光系数可反映边界层大气中气溶胶的变化情况;2019-10-28T02:00地面PM10的质量浓度达到最大值268μg/m3, 消光系数超过30km-1, 达到最大值, 雷达反演数据在时间上会有延迟; 城市下垫面使得沙尘污染快速减弱, 雷达所在的草地下垫面容易受垂直风切变影响产生持续性污染。该研究对应用相干多普勒测风激光雷达、认识沙尘的污染过程以及传输特性很有帮助。

为了研究受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中传输时质量因子的特性, 基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义, 经理论推导得出受遮挡贝塞尔-高斯光束的解析表达式, 并进行了相应的数值计算。结果表明,当遮挡物尺寸不大于0.4倍的腰宽时, 受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大而增大, 随着湍流内标量、光束拓扑荷数的增大而减小。在相同条件下, 光束的传输质量因子随着遮挡物尺寸的增大而增大。所得结论对实际激光传输和自由空间光通信有一定的参考价值。

为了研究部分相干复宗量拉盖尔-高斯(PCELG)光束通过环形光阑后在湍流大气中传输时的偏振特性，基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理，经理论推导，得出PCELG光束偏振度的解析表达式，并进行了相应的数值计算。结果表明，光阑的衍射效应将会造成PCELG光束偏振度振荡加剧的现象; 当PCELG光束在湍流大气或自由空间中传输时，近轴处横向的偏振度有着剧烈的振荡，而在较远点处，其偏振度都是趋于1，且随着传输距离的增加，横向的偏振度趋于1时所对应的离轴距离也增大; 当PCELG光束通过光阑后在自由空间中传输时，经过足够长的距离，偏振度将趋近于不同于初始偏振度的值，而在湍流大气中传输时，偏振度将趋近于初始偏振度。该结果对光束在大气中的传输及其应用具有实际意义。

为了研究1.54 μm激光在不同条件下的大气传输特性,利用Modtran模型进行仿真计算的方法,得到了1.54 μm激光在大气分子、气溶胶粒子以及雨中的大气传输特性。结果表明:大气分子对1.54 μm激光的传输影响很小,基本可忽略不计;不同类型的气溶胶对于1.54 μm激光传输的衰减程度有很大差别,其中海洋环境较陆地环境衰减更为明显,且随着能见度的降低透过率也随之降低;雾对1.54 μm激光的衰减及其严重,基本很难透过;雨天对1.54 μm激光的衰减也很严重,衰减强度不及雾,但强于气溶胶,且随着降水强度的提高,透过率大幅降低。

为了研究喇曼激光雷达探测云与气溶胶相互作用相关光学参量的可行性, 研制了一台607nm喇曼激光雷达。采用适当提高喇曼激光雷达配置的方法, 提高了喇曼回波信号信噪比。通过实验取得了晴空少云天气下云和气溶胶的消光系数垂直廓线, 给出了喇曼激光雷达观测云与气溶胶相互作用的个例分析, 说明利用地基喇曼激光雷达, 可以为研究云与气溶胶之间相互作用的物理过程提供基础数据, 并指出正在研制的多波长喇曼-偏振激光雷达技术探测云与气溶胶相互作用的技术优势。结果表明, 喇曼激光雷达具备定量探测中低自由对流层内薄云层和气溶胶消光系数的能力。

为了研究相干度为零阶贝塞耳函数的部分相干平顶光束的光谱特性,采用广义惠更斯-菲涅耳公式推导了J0相关部分相干平顶光束通过湍流大气的光谱分布表达式，分析了大气折射率结构常数、平顶阶数、光源的中心频率、相干性参量以及谱宽对谱移的影响。结果表明，光源的中心频率、光谱宽度、空间相干参量、湍流强度对轴上谱移量影响较大；另外，随着湍流的增强,光谱位移量减小；在自由空间中，平顶光束的阶数越高，对谱移的影响就越大，但在湍流大气中阶数对谱移几乎没有影响。

激光在大气中长距离传输时，即使湍流很弱也会产生强湍流效应。在强湍流效应中，一个重要的问题就是光波的相位不再是连续的，相位不连续性问题会引起现有的自适应光学校正能力的降低。介绍了相位不连续点产生的机理和基本性质，阐述了激光大气传输相位不连续性问题近年来的研究进展，为激光大气传输及自适应光学校正技术研究工作的更好开展提供了参考。

为了研究复宗量拉盖尔-高斯光束在湍流大气中通过圆形光阑的传输特性，采用拓展的惠更斯-菲涅耳原理进行了理论推导和数值计算，得到了光强表达式和相应的计算图像。结果表明，光束在湍流大气中受到光阑限制传输时，当截断参量δ＜1，光束能够长距离传输且与源场时的光束横截面光强分布大致类似，仍为空心光束，但中心处光强的归一化值大于0；当截断参量δ≥1时，小孔的衍射效应不明显，与无小孔限制时非常类似，光束横截面光强分布变为高斯形状；大气湍流强度越小，越容易保持源场时的光束横截面光强分布；不同阶数光束在湍流大气中的传输特性也做了相应研究。该结果对于从事激光传输与自由空间光通讯是有帮助的。