针对航空平台气动光学效应影响航空平台激光通信系统性能的问题，研究了航空器在不同飞行速度和海拔条件下，气动光学效应对激光通信系统通信光传输性能的影响。采用大涡模拟方法分别模拟了在不同飞行速度、海拔下激光通信系统周围的气动流场，计算得到流场的密度变化分布，并根据密度数据建立折射率场，采用龙格-库塔方法求解光束传播方程并进行光线追迹，计算并分析了通信光束经过气动流场后的全视场光程差分布和斯特列尔比。仿真计算结果表明：随着飞行速度的增大，流场密度的变化更为剧烈，光程差逐渐增大，斯特列尔比降低；在飞行速度相同的情况下，随着海拔的增加，流场密度波动减小，光程差减小，斯特列尔比有所提升。所研究成果对补偿机载激光通信过程中的气动光学效应产生的影响以及获得更好的通信质量具有一定指导意义。

本征正交分解（POD）方法已经广泛应用于时间变化随机场的分析，但其直接法或快照法存在自身固有缺陷，前者使关联矩阵求解特征值和特征向量较为困难，后者的有限抽样帧数会影响对随机场的统计特性分析。鉴于此，本文建立了基于泽尼克（Zernike）多项式加权系数的Zernike-POD方法，用于气动光学效应的波前模态统计分析。对于圆域问题，Zernike多项式阶数给定后，各阶加权系数与波前分布是一一对应的，并且通常用几百阶多项式就足以复原各种复杂波面形状。Zernike-POD方法由对波前本身改为对Zernike多项式加权系数的分解和模态计算，由于多项式阶数远少于波前的空间离散点数，因此，关联矩阵的维数降低，计算量减少，计算效率显著提高。Zernike-POD方法不损失空间分辨率，同时不需要限制最高采样帧数，因此，时间统计特性不受影响，预估的波前模态具有较高的时空分辨率。为验证该方法的有效性，用大涡模拟方法开展圆柱绕流数值仿真，并计算圆柱尾迹卡门涡街结构产生的时间系列气动光学效应数据，将该数据用于波前模态分析，波前空间分辨率为100×100，采样帧数为2万帧，Zernike多项式阶数取为217阶。一阶模态与稳态波前分布相似，二阶与三阶、四阶与五阶模态近似互为配对关系；前10阶模态能够基本复原波面形状，前49阶模态含能在97%以上，用完整模态重构的波前与原始波前没有本质差异；模态加权系数及其功率谱随阶数增加而呈下降趋势，前五阶模态加权系数的功率谱尖峰频率与光学窗口中心点脉动速度情况较为一致，对应卡门涡街的主频，斯特劳哈尔数St约为0.22。Zernike-POD方法适用于圆域波前模态分析，也适用于环形域和正方形域，并能够推广到流场结构、图像与信号等处理领域。

对于机载激光通信的传输信道，分析了大气信道中的衰减、光强闪烁、光束漂移及气动光学效应等复合效应，并推导了接收光束尺寸、链路中断概率和误码率等传输性能。仿真分析表明：一方面，接收光束尺寸受光束漂移及气动光学效应的影响而增大，且在低空条件下的光束尺寸主要受到大气湍流的影响而导致其大于高空条件的；另一方面，长距离的机载激光通信链路需考虑光束漂移的影响，并可通过优化发射光束大小进行抑制。

导引头在3 Ma（1 Ma≈340.3 m/s）超音速飞行状态下，受到气动加热的光学窗口温度急剧上升，产生大量红外热辐射，干扰探测器的成像质量。为研究气动热辐射对导引头红外成像的影响：采用ANSYS软件对导引头进行三维建模、有限元网格划分及温度场仿真；采用普朗克黑体辐射公式与TracePro软件计算仿真得到的目标源与光学窗口在不同温度下产生的辐照度，建立信噪比模型，分析光学窗口温度及目标相对距离对导引头红外成像质量的影响。实验结果表明，导引头在2、11、20 km海拔高速飞行10 s后，红外成像系统信噪比分别下降了91.8%、50.1%、20.7%，信噪比的下降会严重影响红外系统成像质量，必须使用制冷措施冷却光学窗口以降低干扰。研究结果可为导引头的光学窗口及光学探测系统的设计提供数据参考，为克服气动热辐射干扰的相关研究提供理论依据。

转塔绕流会带来严重的气动光学效应影响，从而限制机载激光**性能的有效发挥，故转塔气动光学效应的抑制研究具有现实的迫切性。采用高精度数值仿真方法，并结合风洞验证试验，以提供高置信度的时间序列波前数据。据此，建立校正残差在空域中随校正阶数的变化曲线与散点图，用于自适应光学校正的定量评估。研究结果表明：转塔流场中存在脱落涡街等复杂结构，当马赫数较高时还会出现激波；顶视气动光学效应最强，前视稳态像差含量高，顶视和后视动态像差占比大，激波结构会增加波前的动态像差占比；前视可以取得很好的自适应光学校正效果，而顶视校正难度较大，对自适应光学校正的变形镜拟合波面能力要求较高。因此，转塔气动光学效应的抑制建议采用自适应光学校正与流动控制结合等联合抑制方法。