为了研究大气湍流对不同波长激光传输特性的影响, 利用MATLAB对其进行了仿真, 设计湍流模拟箱进行实验, 将仿真和实验结果对比进行了理论分析和实验验证。对激光波前光强分布进行了观察与记录, 并对不同波长激光束在相同大气条件下的光束漂移和光强起伏做了测量与分析; 就大气湍流对线偏振光的偏振态影响进行了实验观测。结果表明, 随着大气湍流的增强, 激光波前光强分布容易受到明显的影响; 激光束的光强起伏随着波长的增大而减小, 其方差最高到达2.79×10-2, 而光束漂移则与波长无关, 方差最高到达9.11×10-12; 线偏振光受到湍流效应的影响, 其光强产生随机变化, 且随着湍流强度的提高, 变化程度更剧烈。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合, 这对激光大气传输的研究具有一定的参考价值。

简述了强度相干成像原理, 分析了照明激光散斑效应, 并仿真了散斑效应对频谱模值的影响, 利用数字微镜阵列设计实验, 根据自适应望远镜测得的波前数据设置数字微镜阵列翻转状态, 对不同目标采集光强涨落信息, 利用基于先验信息的迭代算法进行图像恢复.结果表明：目标散斑光场强度涨落服从负指数分布; 散斑光场使得目标频谱模值高频部分出现误差; 利用基于先验信息的迭代算法能较好地恢复目标图像, 目标恢复图像峰值信噪比最高可达29.87 dB.

在兰州地区夜间进行了链路长为610 m的激光传输实验, 研究了晴、阴、沙尘、雨夹雪天气下光强起伏的统计特性.采用闪烁法测量了不同天气下的大气折射率结构常数C2n, 分析其最大值、最小值、均值和标准差, 得到实验期间C2n值的范围为1.06×10－15 m－2/3~1.05×10－13 m－2/3, 均属于中等湍流; 而且晴天和雨夹雪天气下C2n值以及起伏程度均大于阴天和沙尘天的值.同时, 利用实测光强值分析了Rytov方差, 结果表明: 晴、雨夹雪、沙尘天气下光强起伏大部分时间属于弱起伏, 有小部分时间跨入中等起伏区, 而阴天下光强起伏均属于弱起伏, 且晴天和雨夹雪天气下光强起伏大于阴天和沙尘天.通过对光强频数分布进行对数正态、Gamma-Gamma和指数威布尔非线性拟合, 不同天气下光强起伏概率分布最为接近指数威布尔分布, 其拟合优度均大于0.989 95, 而在弱到中等起伏区, Gamma-Gamma分布拟合效果优于对数正态分布.

在兰州地区夜间进行了链路长为610 m的激光传输实验，研究了高斯激光在不同天气条件下的光强分布及其起伏特性.采用三维伪彩色变换方法，分析了光斑光强的空间分布规律，得到了光斑主瓣光强服从类高斯分布，并按照晴天、多云天、阴天的顺序，光斑几何中心位置附近光强分布的陡峭度依次减小，而其衰减则依次增大的结论.同时，利用实测光强值分析了大气闪烁指数，结果表明: 晴天、雨后晴天和阴天下的闪烁指数分别为0.225 4、0.189 2、0.188 8，这说明晴天下的光强起伏大于雨后晴天和阴天的，且均为弱起伏.通过对归一化光强的频数分布进行非线性拟合得到了光强的概率密度分布，它们均服从对数正态分布，其中晴天下的概率密度曲线的拟合优度更是达到了0.997 50.

针对利用光纤延时自差系统获得双频拍频光的方法, 建立了激光源强度起伏和相位噪声对拍频光功率谱影响的理论模型, 并基于该模型进行了数值分析和模拟。结果表明, 短延时差比长延时差更有利于减小激光器的噪声干扰。当延时差小于激光相干时间时, 激光线宽越大, 强度起伏越大, 信号的信噪比越低。当延时差远大于激光相干时间时, 激光器的相位噪声成为拍频光信号展宽的主要来源, 且相位噪声越大, 拍频光信号功率越小; 强度起伏也有一定的展宽效应, 但对于拍频信号功率有增大作用。在长延时情况下, 拍频光信号功率和线宽随两个频率光的延时差呈余弦规律变化, 存在最佳工作点。

传统光学成像要求像面在成像透镜组的焦平面上,以此获得最大的光通量,因此焦距对成像质量影响较大。研究了焦距对计算关联成像成像质量的影响,搭建计算关联成像系统,利用桶探测器信号的强度涨落分析不同焦距下的关联成像结果,分析了背景光强对强度涨落的影响。结果表明: 焦距和背景光强的变化对计算关联成像成像质量影响不大,解决了热光关联成像中两光臂不等形成的散焦造成成像质量下降的问题,并且该成像只用一个无空间分辨能力的探测器就能完成高分辨率成像,降低了对探测器分辨能力的要求,避免了光通量在维度上的分配,提高了信噪比,且无需成像透镜,该成像方式非常适合用于极弱背景下的成像探测。

宽波段光源在工作过程中, 光强通常会随供电电源输出功率的变化而波动。 宽波段光源波段内各个波长的光谱强度将会发生不同程度的波动。 为解决光源光强波动时其波段内各个波长光谱强度的补偿问题, 提出了一种基于光谱线性拟合的补偿方法。 使用这种方法, 只需测量光源波段光强的变化, 就可以补偿各个波长光谱强度的波动。 通过分析理想黑体全波段辐射出射度与光谱辐射出射度的近似线性关系。 建立了宽波段光源波段光强与光谱强度的线性模型。 实验装置主要由卤素灯珠、 光源电源、 光阑、 光谱仪及计算机构成。 调节电源的输出功率, 得到一组卤素灯珠在不同输入功率下的相对光谱强度。 测量不同功率下卤素灯珠光谱强度来验证该方法补偿效果。 按线性关系拟合了卤素灯珠光谱强度与其波段光强关系式, 并分析了拟合误差。 实验表明: 卤素灯珠的光谱强度与其波段光强具有很好的线性关系, 可以用波段光强按线性关系来补偿其光谱强度的波动。 随着卤素灯珠输入功率的增大, 补偿后的光谱强度的相对误差绝对值下降。 在卤素灯珠输入功率范围内, 使用该方法补偿的光谱强度在绝大部分(92%)波长下相对误差绝对值可在5%以内。

为实现基于光学方法的烟气流速和颗粒物浓度的非介入式测量，研制了双光路对射式烟气流速测量系统，并在工业烟道上进行了实地测试。鉴于工业烟道内气流的复杂性和多变性，提出了一种反级串的烟气流发展模型，并改进了数据处理方法。分析结果表明：基于新数据处理方法测量的烟气流速，虽然其统计平均值与皮托管的单点测量结果存在0.7 m/s的差异，但两仪器测量结果的统计平均值非常一致，均接近7.6 m/s。当信号比较理想时，相对于经过简单滤波后计算得到的烟气流速，新的数据处理方法不会对烟气流速及其变化趋势造成明显改变。由烟气流速测量系统所测信号的光强起伏与颗粒物浓度存在明显的线型关系，相关系数可达0.97。

在大气激光通信中，大气湍流所引起的光强闪烁会严重影响通信系统的性能，导致系统误码率的增加，多光束发射是克服这种影响的有效方法。本文分析了用不同数目光束发射时的光强概率分布；以及多束光发射时接收端用不同直径的接收透镜进行接收时的光强概率分布，结果表明随着发射光束的增加、孔径直径的增大，光强概率分布更加趋于正态分布，光强概率的均值增大。文中还分析了多光束发射的归一化相关系数和光强方差的关系以及多光束发射在不同湍流环境下的误码率性能，分析结果表明多光束发射系统可以很好地改善接收面的光强起伏，降低系统的误码率。

无线光通信(FSO)系统的性能受大气湍流影响会产生剧烈波动。根据系统和大气参数评估系统差错性能的研究具有现实意义。以大气湍流信道和光电探测模型为基础，使用拟合概率分布替换常用的对数正态分布，建立了FSO系统差错性能的数学仿真模型，改进了湍流条件下系统误码率计算公式，并且进行全天的验证实验。实验结果显示，光强概率分布对系统性能有显著的影响，原有公式在某些情况下的计算结果有较大偏差，而改进公式的计算结果具有更好的适应性和准确性。该改进公式可有效评估湍流条件下FSO系统性能，并为相关理论研究提供参考。