在包含时间进程的光波大气传输及其自适应光学相位校正的数值模拟研究中, 如长曝光成像和自适应光学系统的动态控制过程, 矩形湍流相屏的产生和应用尤为重要。而现在通常使用的功率谱反演法产生的是正方形的湍流相屏, 只采用其中的矩形部分显然造成计算机资源的浪费; 并且谱反演法产生的湍流相屏需要进行低频补偿, 从而明显地增加计算量。基于大气湍流所造成的畸变相位波前的分形特征, 提出了一种产生矩形湍流相屏的新方法, 并与解析理论结果进行对比, 验证了这种矩形相屏产生方法的正确性。与已有的方法相比, 此算法具有两个明显的优点：算法简单、计算效率高, 节省计算机资源; 与大气湍流介质统计特性无论在高频部分还是在低频部分均符合得较好。

大气信道中的大气湍流是影响无线激光通信系统性能的主要因素之一, 其引起的强度闪烁效应会对接收信号的提取和还原造成很大干扰。基于Gamma-Gamma概率分布的大气湍流信道统计模型, 研究了利用副载波相移键控(PSK)强度调制技术的大气光通信系统的误码特性; 推导了副载波二进制相移键控(BPSK)及开关键控(OOK)两种调制模式下的系统误码率表达式; 对在一定条件下的大气光通信系统, 比较了副载波BPSK和OOK两种调制模式的误码特性; 分析了链路特征、接收口径尺寸、通信波长和天顶角等因素对系统误码率的影响。结果表明, 增大接收孔径和通信波长都能有效地降低系统误码率, 而天顶角的增大则会使系统误码率增加, 副载波BPSK调制模式的误码特性要优于OOK调制模式的误码特性。

对自适应光学系统的动态控制过程进行了数值模拟。与自动控制理论的解析分析相比，动态控制过程的数值模拟有其优越性。系统的频率响应特性与动态控制性能密切相关，对自适应光学系统的频率响应特性也进行了数值模拟。模拟计算的结果与实验测量结果符合得很好。还实现了多频率成份的同时计算，可以大大提高计算效率。其结果与单频率结果只在低频下有小的差别，可以满足得到带宽和裕量等参数的实用要求。将频率响应特性的模拟计算与长时间曝光斯特列耳(Strehl)比的数值模拟结合,可得到对自适应光学系统性能的有效评估。

噪音和探测误差是影响自适应光学系统性能的三个主要因素之一。噪音和探测误差使哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器所测得的倾斜量产生误差,进而影响整个自适应光学系统的性能。建立了对噪音和探测误差对哈特曼-夏克波前传感器的影响进行数值模拟的理论模型,编制了计算程序,与已有的激光大气传输与自适应光学系统的计算程序相衔接,进行了模拟计算,对有限的离散采样、读出噪音和光子噪音的效应作了数值模拟研究。获得了一些对于实际的自适应光学系统的最佳设计有价值的结果。

讨论了光波在水平大气湍流中传输时的情况。计算结果表明自适应光学系统的补偿效果与光波传播路径上的横向风有很大的关系。大气湍流的强度越大,自适应光学系统的截止频率越高,横向风的影响也越大。计算结果还表明在相同的r0或者相同的大气湍流强度下,球面波所受大气扰动的自适应光学补偿效果受横向风的影响要比平面波的厉害。本文还将理论分析的结果和数值模拟的结果进行了比较,表明数值模拟结果受横向风的影响比理论分析结果受横向风的影响大。最后,文中分析了以上现象并对此作出了合理的解释。

在采用冻结湍流假设和几何光学近似的条件下,得到了经自适应光学系统校正后的剩余波前相位扰动的结构函数。进而根据剩余相位结构函数与系统Strehl比的关系,求出了自适应光学系统的补偿效果受系统的时空传递函数、大气湍流、光波传播路径上的横向风、观察目标的旋转角速度以及系统时间延迟影响情况的解析表达式。

建立了利用模式法(Zernike多项式展开法)对自适应光学系统进行数值模拟的理论模型，编制了计算程序，并与激光大气传输计算程序衔接起来，进行了大量数值模拟计算。首次发现：存在泽尼特(Zernike)多项式展开的最佳项数，大于一定项数的展开式的效果迅速变坏，竖排和斜排的泽尼特多项式展开有类似的结果，文献中认为可以采用的15项泽尼特多项式展开的效果不好，最佳项数随着横向风速的增加而减小，在风速较大时最佳项数下的模式法结果稍好于直接斜率控制法的结果。

采用直接斜率控制法完整地实现了对自适应光学(AO)系统的数值模拟,系统研究了带自适应光学校正的激光大气传输规律。提出了对计算出的位相进行“剪接”的办法,解决了残余位相方差与自适应光学的校正效果没有对应关系的问题。证明可以把快速傅里叶变换法(FFT)用于透镜成像的聚焦计算,与积分法得到相同的结果。报道了对于一定的延迟时间,当大气横向风速大于一个阈值时,自适应光学补偿比完全相位补偿的效果还要好,表明在一定的条件下自适应光学系统的校正能力并非越大越好。

从理论上分析了光波在水平大气中传播时传播路径上的横向风对理想补偿系统和时间带宽有限的自适应光学系统性能的影响,得到了自适应光学系统的Strehl比与横向风速之间关系的解析表达式,并据此得到了一批计算结果。这些结果表明横向风对自适应光学系统的补偿功能有很严重的影响,随着横向风速的增大,系统的Strehl比迅速降低"特别是对于一定接收口径的系统,当横向风速超过一定的阈值后,加了补偿的光波的成像效果比不加补偿的光波的成像效果更差。结合大气湍流的物理结构仔细分析了这种现象,并对这种现象作出了合理的解释。

从基本的气体动力学方程组出发分析了气流介质中由于放电、吸收激光等沉积能量所造成的热效应和气流的特性。对于典型的气流放电激光器条件,0.05≤M《0.2,气动方程有最简单的形式,很容易得到解析解,并可以用激光干涉法测量沉积能量和密度,温度和速度等气动参数沿流动方向的分布。