大气折射率结构常数Cn2是反映湍流强度变化状况的重要大气参数。针对反演Cn2时所需初始输入数据多、未运用单一类型数据反演的问题，提出一种以整层大气相干长度r0和整层大气等晕角θ0数据为输入反演Cn2的新方法。基于广义的Hufnagel-Valley（HV）湍流模型，推导出r0和θ0之间的理论关系式，以新疆南山实测的r0和θ0数据为基础，反演计算得到广义HV模型的七个参数进而计算出Cn2廓线，再将七个参数值代入推导出的r0、θ0理论关系式计算出单日θ0值。仿真计算结果表明，拟合出的平均Cn2廓线和单日Cn2廓线，其变化趋势与香河模型相比，一致性较好，吻合度较高；单日计算θ0值与实测θ0值之间的日相关系数平均值达到了81.95%，最高达87%。该结果验证了所提方法的可行性，为研究Cn2廓线的反演提供了参考。

因斯-高斯（IG）光束在复杂信道传输中具有较好的抗干扰能力。为此设计并搭建了基于模拟海洋湍流信道的激光通信实验平台，详细研究IG光束在海洋湍流信道下光束信号的传输及通信特性。首先实验对比研究了不同海洋湍流强度条件下，IG光束和高斯光束传输后的光强闪烁指数、质心漂移和探测器接收功率情况；其次通过调制0.5~3 MHz频率的方波信号，进一步研究两种光束传输后调制信号波形失真特性；最后进行IG光束和高斯光束的7.5 Mbit/s通信性能对比实验。实验结果表明：IG光束的闪烁指数、质心漂移、功率抖动均优于高斯光束，且随着海洋湍流强度增加，IG光束闪烁指数和质心漂移改善能力增强，功率抖动改善能力降低。在不同模拟海洋湍流中，相同频率的IG光束调制方波波形失真度整体低于高斯光束。在误码率为3.8✕10^-3（前向纠错阈值）时，IG光束在不同注水高度信道、不同温度信道和不同盐度信道中的通信性能比高斯光束分别提高了0.8 dB、4 dB和2.5 dB。该实验结果可以为IG光束应用于水下激光通信提供参考。

引力波探测激光干涉仪对四象限探测器性能提出了较高的技术要求。为了提升四象限探测器光斑位置检测精度，搭建四象限探测器相干探测仿真系统，构建位置检测数学模型，分析位置检测精度与系统信噪比、光斑半径和光斑质心位置三个关键参数以及相干混频增益的关系。基于蒙特卡罗仿真方法并采用LabView软件搭建四象限探测器光斑位置检测计算机仿真系统，深入分析系统中高斯光斑产生、光斑质心位置解算以及误差评判三部分主要过程，分析各个关键参数对位置检测精度的影响。仿真结果表明，提升系统信噪比、减小光斑半径以及选取靠近光敏面中心的光斑质心位置可以提高位置检测精度。将仿真结果与理论计算结果进行对比，验证了数学模型的有效性，提升了蒙特卡罗仿真置信度。

为满足日益增长的通信容量需求，空分复用技术得到了快速发展，其中基于多平面光转换的模式复用及解复用混频器由于兼容模式多、插入损耗小等优点而成为了研究热点。为了简化相干通信接收端，本文提出了基于多平面光转换的拉盖尔高斯模解复用混频器，同时实现了模解复用和90°混频功能。本文首先提出拉盖尔高斯模解复用混频器的设计原理及参数定义，并采用基于角谱计算的波前匹配算法建立模解复用混频器模型。然后，基于模型仿真研究了正弦拉盖尔高斯模解复用混频器，仿真结果表明，所设计的混频器的插入损耗为－0.7020 dB，信号光与本振光的耦合系数大于0.89，端口相位差小于10.1°。之后，进一步分析了相位板数量及像素尺寸、工作波长等对输出性能的影响，结果发现：在不考虑相位板反射等外部损耗时，随着相位板数量增加(≥8)，插入损耗和模式相关损耗逐渐减小并趋于平稳；工作波长在1500～1600 nm范围时，耦合系数、端口均一性、插入损耗和模式相关损耗变化较小；像素尺寸在3.2～19.2 μm范围时，端口均一性和模式相关损耗变化较为平稳，耦合系数和插入损耗随着像素增大而恶化。最后，考虑到轨道角动量光束在空间光通信领域的广泛应用，在上述基础上进一步设计了轨道角动量光束的模解复用混频器，其性能满足应用要求。本研究结果表明：所提出的基于多平面光转换的拉盖尔高斯模及轨道角动量光束的模解解复用混频器可以同时实现模解复用和90°混频功能，性能较好，且具有较好的波长特性。本方案及仿真分析结果为空分复用技术中关键器件的设计提供了技术参考。

将Lambert-Beer定律引入双向反射分布函数，推导出一种适用于球形合作目标后向激光雷达散射截面的数学计算模型，并以此为理论基依据，建立了用于测量微珠合作目标后向激光雷达散射截面的实验系统，利用该实验系统，开展了对不同材料球形合作目标回波信号相对强度的光谱数据测量，同时采集50 mW、80 mW和300 mW这三个典型发射光功率所对应球形合作目标处的光斑图像。根据光谱数据分析，计算得到不同材料微珠合作目标的后向激光雷达散射截面。研究结果表明，折射率为1.46、1.51、1.93的球形合作目标的激光雷达散射截面均随着激光功率的增加而呈现出线性增长的趋势；当激光功率一定时，折射率为1.93的球形合作目标的激光雷达散射截面要明显大于折射率为1.46和1.51球形合作目标的激光雷达散射截面，该研究结论为激光雷达散射截面的理论研究和实验测量提供一定的理论依据和数据参考。

根据水下可见光通信长距离传输的需求，对水下光通信信道进行建模仿真，并设计了一种基于数字信号处理的高灵敏度水下光通信发收机。在发收机中采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)进行开关键控(OOK)调制、编码以及有限长单位冲激响应滤波器滤波(FIR)、自适应门限判决、滑动均值滤波等数字信号处理手段提高系统信噪比及误码性能，并在不同水质环境中进行水下光通信实验，对整体通信系统进行误码率分析，验证系统性能。实验结果表明，在满足误码率等于10^－6条件下，接收机灵敏度可以达到－38 dBm。实验证明该通信系统在码速率5 Mbps、误码率10^－6条件下在Ⅰ类水质中传输距离达到20 m，Ⅱ类水质中传输距离10 m，Ⅲ类水质中传输距离可以达到4.5 m。