利用CSAT3三维超声风速仪与WXT520多功能气象传感器组成近地层光学湍流自动观测系统,使用太阳能电池供电和无线传输实现无人值守,可同 时测量常规气象参数和大气折射率结构常数C2n。系统包含一个控制中心和三个测量子站,可同时对三个测量点进行观测。通过对超声虚温进行湿 度修正后得到真实温度,采用单点温度脉动法计算大气折射率结构常数C2n,计算结果与温度脉动仪实测C2n吻合较好。本系统可适应复杂恶劣的测 量环境,性能稳定可靠,且测量子站可扩展。

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲, 假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM01模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型, 研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响; 建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型; 针对低轨卫星-地面站间激光链路, 对单光子捕获概率进行了分析.结果表明: 上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C2n(0), 且随着C2n(0)的增加而减小; 然而, 下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C2n(0), 即大气湍流对其没有影响.

通过以系留气球和探空气球为平台的方式,搭载温度脉动仪在戈壁地区对大气折射率结构常数开展长期测量。对获取的实验数据开展统计分析,探讨了在白天与夜间折射率结构常数的平均情况、高度分布、偏度与峰度、季节的强弱特性等四个方面的内容,结果表明：在测量地区,随高度分布的大气折射率结构常数在白天和夜间的算术平均值和对数平均值的比值会有较大的差异,并且白天和夜间的对数平均值和标准差系数随高度分布各有其特点,表现在随高度整体减小的同时会有起伏出现,尤其是夜间; 白天和夜间的偏度与峰度主要表现出右偏和尖峰特性,在高度分布上有所不同; 季节变化对湍流的强弱分布产生明显影响,集中体现在中性湍流和弱湍流分布情况随高度发生交互变化。

湍流廓线激光雷达是近十年出现的测量大气湍流强度廓线的新技术，目前数据处理已成为该技术的关键环节。对湍流廓线激光雷达的数据处理方法进行了详细地描述，重点研究了双光斑图像背景阈值计算方法与大气湍流强度廓线反演算法。比较了迭代法、最大类间方差法和统计法三种背景阈值计算方法分别在强信号与弱信号下的计算结果，得出统计法是比较适合双光斑图像的背景阈值计算方法。在背景阈值计算的基础上对图像进行分割并计算得到双光斑的质心距，统计多帧图像的质心距起伏得到达角起伏方差。然后利用HV-21模型模拟了从到达角起伏方差反演大气湍流强度廓线的算法，所得结果与原始值大小相近、整体变化趋势一致，但是不能反映原始值的细节变化趋势。

当激光在大气传输时，会引起光束的抖动、光束扩展和漂移等大气湍流效应，这严重影响了激光传输的效能。根据波动光学理论，建立了不同波束激光在大气湍流传输的数学模型，采用龙哥库塔法编写了四维程序。数值结果表明：大气湍流效应会造成激光光束的相位起伏变大，光束的聚焦能力减弱，光斑会发生分裂；相比高斯光束，矩形光束可大大减弱湍流效应。

光斑漂移是光束在湍流大气中传输时的一个重要效应。利用CCD 成像技术在烟台地区近海面进行了准直高斯光束传输实验，并在实测数据的基础上，分析得到了近海面准直高斯光束的漂移特性。研究结果表明：水平漂移幅度大于垂直漂移幅度，对于1.21 km 近海面路径而言，前者介于5.25~10.69 mm 之间，后者介于4.45~8.59 mm 之间，两者之比的平均数为1.33，小于其他环境下聚焦光束的比值，随着传输距离的增加，它们之间的差异逐渐缩小，夜间时段的比值大于白天时段的比值，并且近海面不同时段的光束漂移幅度差别较小。此外，还对测试期间的大气折射率结构常数进行了简要分析。

统计分析了2014年4月至5月期间温度脉动仪和超声风速计测量的成都地区折射率结构常数C2n数据。结果显示: 无论是白天还是夜晚,两种方法测量C2n的结果基本一致。与合肥地区相比, C2n的日变化特 征明显但转换时刻存在差异。在10-15～10-13m-2/3量级温度脉动仪和超声风速计测 量C2n的频数分别是74.05%、84.40%;小于10-15的频数分别是24.07%、10.63%;大于10-13的频数 分别是1.89%、4.97%。温度脉动仪和超声风速计测量C2n的关系为y=－8.5694×10－16+0.6520x,相关 系数为99.24%,并简要分析了两种 方法测量C2n偏差的可能原因。

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。

大气折射率结构常数(C2n)是衡量湍流强度的重要物理量之一。利用大孔径闪烁仪对烟台地区近海面环境下2014年1～6月份的大气折射率结构常数进行了测量，对实测数据进行频率计数、日变化以及月变化统计特性分析，并与其他地理环境下的C2n 值变化特征进行对比。统计分析对比结果表明：近海平面C2n 值主要集中分布在10-17~10-14 m-2/3 范围内，属于典型的中等偏弱湍流范畴；不同时段的C2n 值没有呈现出其他环境常见的“转换时刻”变化特征，且夜晚与白天的C2n 值无明显差别，日均值在10-16~10-14 m-2/3 范围内变化，同时结合标准差对测试期间C2n 数据的离散程度进行了详细的分析。

利用温度脉动仪对大气折射率结构常数进行测量, 通过在铁塔上不同测量高度架设温度脉动仪,对戈壁地区近地面层开展长期连续测量。从各测量高度折射率结构常数的累积概率、偏度与峰度、季节变化、高度经验关系等四个方面对大量实验数据统计分析,结果表明: 测量地区大气折射率结构常数白天和夜间的累积概率以18 m为区别界限,表现出明显的不同；所有测量高度折射率结构常数的概率分布均表现出右偏、平峰特性；季节变化对低层折射率结构常数的影响更为明显；测量地区折射率结构常数随高度变化的经验公式表明,白天折射率结构常数随高度递减接近“-2/3”指数, 夜间折射率结构常数的高度变化则是表现出层次性, 低层折射率结构常数随高度递减接近“-0.16”指数, 而高层变化则接近“-1.05”指数。