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。

大气湍流参数是评价大气信道对空间激光通信系统性能影响的重要依据。根据机载平台的运动特点，采用差分像运动法并利用夏克-哈特曼传感器与指向、捕获、跟踪伺服单元等设备，在加格达奇地区开展了不同海拔高度下大气湍流参数的分层测量实验。结果表明，在Kolmogorov湍流条件下，该地区日间大气湍流强度随海拔高度的增加而减弱，并在该变化趋势上叠加了大气湍流强度的随机起伏；大气覆盖逆温层顶层海拔高度范围为2.2～2.8 km，海拔高度为3.5 km的大气相干长度的变化范围为10～26 cm。该研究为机载激光通信系统的性能分析提供了重要的参考。

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。

通过使用大气相干长度仪测量了华南山区部分月份的昼夜整层大气相干长度,结合使用温度脉动仪获取的近地 面部分测量高度的折射率结构常数数据,分析结果表明：在10、11、12月份中,白天11月的测量结果最大,夜间测 量结果较为复杂,下半夜的测量数据小于上半夜的测量数据;从频数分布来看,白天中心值为8.5 cm,主要集中 在6～12 cm之间,夜间中心值为13.0 cm,主要集中在10～18 cm之间,其平均值明显大于白天的结果; 从近地面层对整层大气湍流强度的贡献来看,白天比夜间受到的影响更为明显。

大气相干长度是大气光学研究领域中定量描述大气湍流介质的重要参量之一。分别介绍了大气相干长度的光强闪烁法和差分像运动测量法，并利用边界层闪烁仪和大气相干长度仪同时间同地点测量了戈壁某地近地面一公里传输路径上的大气相干长度，通过实验观测对比发现利用闪烁法测量的结果比利差分像运动法测量大气相干长度的值略小，但其量级和时间变化趋势基本一致。

研究了利用哈特曼波前传感器测量大气相干长度的两种方法: 一种是测量两个子孔径恒星光波到达角起伏方差的差分像运动法; 另一种是测量恒星波前分布, 通过波前分布的剩余方差推算得到大气相干长度。试验测量结果表明, 两种方法得到的测量结果基本一致, 得到了大气相干长度的可靠数据, 两种方法得到了相互验证, 实现了在应用哈特曼波前传感器测量大气波前分布时, 同时得到当前的大气信息, 对分析哈特曼波前传感器的测量结果有参考意义。

差分像移激光雷达可以测量随距离分布的大气湍流廓线。在结合测量原理和定性分析的基础上，经过严格的数学推导得到了差分像移激光雷达测量湍流的误差公式，提供了定量分析和改进系统性能的基础：在系统参数确定后，通过合理分配探测点间距以及每个探测点的探测时间可以达到最好的测量效果。根据模拟分析的结果，测量误差主要来源于光斑质心计算误差和有限样本引起的统计误差。近距离测量时，由于接收到的光子信号很强，光斑质心计算误差的影响很小，此时样本统计误差起主导作用；随着距离的增加，光斑质心计算误差的影响越来越大。

为了深入认识利用差分像运动法测量大气相干长度的特性，对差分像运动监测仪(DIMM)进行了深入的研究。基于理论分析和数值计算，讨论了DIMM中的几个重要问题，并阐明了解决方法，主要包括计算公式、子瞳大小及间距，从而提高了DIMM的测量精度，降低了DIMM的结构要求，扩展了DIMM的适用范围。

为规范大气相干长度的测量，保证测量数据的准确性，通过对大气相干长度测量中采样频率、采样时长、曝光时间等关键问题的分析，并结合国内外相关研究成果，确定了差分像运动测量仪的采样频率应不低于100 Hz、采样时长应不短于20 s ，单帧图像曝光时间应不长于沿测量光路的格林伍德时间常数，样本数应不少于2 000帧。