涡旋光束在湍流大气中传输时，其振幅和相位会发生随机起伏，导致在接收平面处的光强起伏及光束扩展等。以低阶拉盖尔-高斯涡旋光束为例，利用激光大气传输四维程序数值模拟了不同条件下的涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展。由模拟结果可知，传输距离越长或湍流越强，涡旋光束在大气中传输时的束宽扩展受湍流的影响越大；涡旋光束的拓扑荷数越高、光束的束腰越小或光波的波长越长，其束宽扩展受大气湍流的影响越小。湍流的内尺度和外尺度也会影响涡旋光束的光束扩展，但影响程度相对较小。另外，通过计算仿真还比较了涡旋光束和普通高斯光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展的差异。

以激光信号在传输介质中的布里渊散射频移量模型为基础,依据相关大气数据建立基于布里渊散射信号检测的大气探测模型。该模型中布里渊频移量只与大气高度相关,详细描述了低空大气范围内布里渊频移量的连续分布状态。结果表明在0～86 km的海拔高度范围内,大气的布里渊散射频移量分布在1.0～1.3 GHz之间。与有关数据相比,该模型与实际情况非常符合,同时具有很好的连续性和普适性。

通常用大气能见度表征大气对可见光波段的视觉影响程度，但它并不适用于红外波段。鉴于大气能见度的直观特性和红外光电技术的迫切需求，参照可见光大气能见度的定义，依据红外系统对比度阈值，提出了红外大气能见度的概念。根据这里提出的定义和涉及的红外大气透射率的物理过程，分析了决定红外大气能见度的关键大气因素。一般情况下，这些因素是可见光大气能见度、水汽含量、气溶胶类型。建立了红外大气能见度与这些关键参数间的定量关系，计算了噪声等效温差(NETD)为0.05 K 对应的3个大气窗口(1.06、3~5、8~12 μm)的红外大气能见度。

针对基于法布里珀罗干涉仪的大气风场探测系统，推导了进行风速、温度反演的理论模型并在理论上进行了模拟验证。利用光学设计软件Zemax完成了法布里珀罗干涉仪系统结构的仿真。通过设定不同波长入射系统，得到对应干涉条纹，利用最小二乘拟合圆方法从条纹峰值移动距离可反演出风速，与理论值进行比对，得到风速仿真误差小于4.2%。针对温度探测理论建立了合理的光源光谱文件，给出理想仿真干涉圆环，进行数据分析完成温度反演，计算出温度的仿真误差小于7.5%。结果表明，仿真模型、反演理论、数据分析和处理方法是可行的。

具有自聚焦性的阵列艾里光束的光束强度较强，光束密度较大，对大气湍流和大气散射的抑制优势明显，可在接收端接收到较强的光信号，提高大气激光通信质量。将多个可产生艾里光束的立方相位膜片进行有序排列可生成多相位膜片，利用多相位膜片可产生具有自聚焦性的阵列艾里光束。仿真和实验说明了阵列艾里光束的自聚焦过程及光斑尺寸对其自聚焦性能的影响。结果表明,基于多相位膜片产生的阵列艾里光束具有自聚焦性，且其自聚焦的聚焦位置随光斑尺寸的变大而变大。因此，通过控制阵列中每个艾里光束的光斑尺寸，可有效控制艾里光束的自聚焦位置。

均匀路径中图像退化光学模型广泛应用于大气中退化图像的复原，而对于斜程观测情况，视线路径中的光照和光学性质是非均匀的, 即使在水平路径中也会面临不均匀的状况。从平面平行大气辐射传输理论出发，建立了非均匀路径中图像退化光学模型，并在典型大气、观测条件下对模型进行了仿真分析。结果表明，对于近水平观测，非均匀路径退化模型简化为均匀路径中的退化模型；当观测距离较小时，两个模型在表达形式上是一致的，并且相对于长波段，短波段更满足此结论；不同观测方向和太阳的方位角差对退化模型的影响只在于观测处背景光的不同；此外，退化模型依赖于近地面水平能见度。

在高能激光合成、空间光通信及其他激光工程中的潜在应用方面,阵列涡旋光束逐渐受到人们的关注。基于多重相位屏的数值方法,研究阵列涡旋光束在von Karman湍流中的传输特性,分析了光场的演化情况。结果表明:光束传输一段距离后发生融合,融合后的光束拓扑荷与初始光场中子光束的拓扑荷相同。考虑到光斑扩展会导致拓扑荷的损失进而使得通信效率下降,分析了不同湍流和光束参量对光束相对束宽的影响。湍流强度对相对束宽影响较大,拓扑荷等其他参量均对其有不同程度的影响,相对于单束涡旋光,阵列光束具有更小的相对束宽。

提出了一种基于深度卷积神经网络估算大气湍流折射率结构常数 Cn2的方法。将湍流影响下的高斯光束光斑图像作为神经网络的输入,利用深度卷积神经网络提取图像的特征信息,得到 Cn2大小,并采用平均绝对误差、平均相对误差、均方根方差和相关系数四个统计量来衡量模型的估算效果。结果表明,该模型能够根据湍流影响下的高斯光束光斑图像对 Cn2进行估算,当迭代500次时,相关系数为99.84%,各项误差均在2%左右。该模型在大气湍流特性分析及大气湍流强度估算等领域有一定应用价值。

基于暗原色先验理论在图像的去雾方面有非常好的效果，提出了一种将暗原色先验理论用于大气能见度测量的方法，克服了气象能见度仪成本昂贵且难以大范围架设的缺点。对拍摄雾霾图像的不同区域进行亮度分析以便选择合适的目标区域进行透射率估计，通过优化去雾系数并使用引导滤波细化透射率获取较为准确的透射率，从而求得大气消光系数及大气能见度。将大量雾霾图像处理的结果与前向散射仪(CJY-1G）测量的数据进行比较，二者基本一致，本方法与CJY-1G测量结果的误差在±15%之内，符合能见度观测的应用要求。

采用频域多帧循环迭代解卷积算法(CIBD)，针对提高复原图像的准确性和快速性两个方面进行研究。以退化序列中任意帧作为起始帧，逐次增加迭代帧，确保更多的观测帧参与循环迭代解卷积以增加复原的准确性；通过图像间的相关矩阵估计初始点扩展函数(PSF)，采用尺度梯度投影法，自适应迭代步长，增加迭代终止条件等措施提高算法的收敛速度。实验结果表明，采用提议的算法能够有效地重建不同大气湍流条件下的远距离观测图像，性能优于传统多帧盲反卷积(MBD)迭代算法。