Based on the Rytov approximation of light propagation in weak turbulent atmosphere, the closed-form expressions of field and average irradiance of each one of the four fundamental families of Helmholtz-Gauss (HzG) beams: cosine-Gauss beams, stationary Mathieu-Gauss beams, stationary parabolic-Gauss beams, and Bessel-Gauss beams, which are propagating in weak turbulent atmosphere, are obtained. The results show that the field and average irradiance can be written as the product of four factors: c

根据大气光学湍流的光纤干涉测量技术原理及其信号表现形式，提出了一种基于希尔伯特(Hilbert)变换的动态相位差解调算法。数值模拟结果表明，该算法能够解调出波形相位差和符合湍流频谱特征的随机相位差，且绝对误差小于10－3，与相关法的解调结果一致。两者对比分析表明，Hilbert变换算法无需设定相关长度，对信号无平滑效应，因而能够更好地反映信号的频率特性。该研究为湍流随机相位差的检测提供了一个新方法。

基于广义惠更斯菲涅耳原理，采用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换技术，推导出了部分相干双曲余弦高斯（ChG）阵列光束通过大气湍流传输时光束湍流距离的表达式。研究结果表明，部分相干ChG阵列光束的湍流距离与大气湍流强度、光束参数（包括子光束数、光束相干参数、离心参数、相对子光束间距）以及光束叠加方式（即交叉谱密度函数叠加和光强叠加）等有关。部分相干ChG阵列光束的光束扩展会随着大气湍流强度的增大而增大，但当选择合适的光束参数以及光束叠加方式时，可以减小湍流对部分相干ChG阵列光束扩展的影响。

光波在大气中传输时，因大气湍流的影响导致大气折射率起伏产生光束漂移、闪烁等一系列湍流效应，严重影响了光电系统的正常使用。由于测量方法的局限想要获得较大时空范围内大气光学湍流参数不切实际，因此能够事先预报大气光学湍流具有重要意义。

基于最近发展的描述海洋湍流的空间功率谱函数和线性介质中广义惠更斯-菲涅耳积分公式，推导了多高斯-谢尔模型光束的光强、相干度及光束质量分子M2的解析表达式，研究了海洋湍流对多高斯-谢尔模型光束传输特性的影响。数值计算结果表明，海洋湍流对多高斯-谢尔模型光束传输特性有着重要影响。适当地选择光束参数，在远场光强不仅可以形成平顶分布，而且这种平顶分布在湍流中能够保持相当长的距离，并且多高斯-谢尔模型光束的级次N越大，湍流诱导的光束扩展越小。

采用多层相位屏法和分步傅里叶算法相结合的方式来模拟环形艾里光束在湍流大气中传输时光斑质心漂移。通过理论和实验仿真了环形艾里光束在湍流中的传输。通过比较，证实了环形艾里光束在湍流中传输时扰动漂移量小于艾里光束和高斯光束。因此，利用环形艾里光束作为信息载体在远距离传输时具有很大的应用潜力。

基于非Kolmogorov谱模型和广义惠更斯-菲涅耳原理，以双曲余弦高斯(ChG)涡旋光束为例，对部分相干ChG涡旋光束在非Kolmogorov大气湍流传输中拓扑电荷的守恒距离做了详细的研究。研究表明，广义结构常量C～2n越大，广义指数参量α越小，湍流内尺度l0越小，空间相关长度σ0越小，束腰宽度w0越大，则拓扑电荷守恒距离越小，而湍流外尺度L0和双曲余弦部分参数Ω0对拓扑电荷守恒距离无影响。

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。

数值模拟了拉盖尔-高斯涡旋光束在湍流大气中传输时的光强分布和光学涡旋的漂移。由模拟结果可知，当涡旋光束在湍流大气中传输时，光强分布由最初的环形结构变为平顶结构，最终在远场演化为高斯分布；光强廓线的演变过程与传输距离、湍流强度、湍流外尺度、涡旋光束拓扑荷数、束腰宽度以及光波长有关，与湍流内尺度无关。光学涡旋在接收面的不同位置处出现的频次满足高斯分布；随着传输距离的增加、湍流的增强或涡旋光束拓扑荷数的增加，光学涡旋的漂移范围增大且在不同位置处出现的频次偏离高斯分布；适当选择涡旋光束的束腰宽度会减小光学涡旋的漂移。

基于非Kolmogorov谱模型，利用广义惠更斯-菲涅耳原理，推导出了高斯谢尔模型（GSM）光束在非Kolmogonov大气湍流中光谱的解析表达式，并用其研究了非Kolmogorov大气湍流对GSM光束光谱变化的影响。结果表明，GSM光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时有光谱移动（蓝移和红移）和光谱跃变发生。光谱跃变的发生与离轴距离r、广义指数参量[α]、广义结构常量[C2n]、湍流内尺度l0、湍流外尺度L0和传输距离z有关。随着广义指数参量[α]的增大、湍流内尺度l0的增大及广义结构常量[C2n]的减小，光谱跃变量[Δ]减小，光谱跃变临界位置zc增大。该研究工作可为自由空间光通信等实际应用提供理论模型和计算依据。