提出一种基于绝对中位值偏差（MAD）的光流计算方法，并用于计算近地面大气湍流折射率结构常数Cn2。通过光流计算捕捉望远镜系统拍摄的前后多帧目标图像的抖动信息，得到传输路径上的到达角起伏方差均值，从而估算近地面大气湍流折射率结构常数。通过在合肥市进行了为期6天的观测实验，将模型估计的Cn2均值与观测路径上温度脉动仪的实测结果进行充分对比，最终得到估算值与实测值的平均偏差（BIAS）、方均根误差（RMSE）、相关系数分别为-0. 0202、0. 2391、0. 8230，充分证明所提方法可以有效估算近地面大气湍流折射率结构常数，为基于图像反演大气湍流参数提供参考。

提出一种基于双向多尺度特征融合的生成对抗网络（GAN），利用该网络对各种地基望远镜拍摄的受大气湍流影响的目标天体图像直接进行盲复原处理。首先通过长曝光大气湍流退化模型与清晰图片进行卷积来构建数据集，并进行网络训练，在模拟湍流图像数据集中测试网络性能。同时，实际获取了Munin地基望远镜（卡塞格林型望远镜）拍摄的受湍流影响的国际空间站图片，并用所提神经网络模型进行测试。各项图像复原评价指标表明：所设计的网络实时性较强，在0.5 s内可以输出复原结果，相比传统非神经网络复原方法要快10倍以上；所提网络的峰值信噪比（PSNR）提高2 dB~3 dB，结构相似性（SSIM）提高9.3%左右，对受真实湍流影响的退化图像也有较好的复原效果。

利用单通道恒温热线仪获取采样频率为4000 Hz的风速脉动数据,得到包括含能区、惯性子区以及耗散区的完整风速脉动功率谱。基于功率谱分析法得到近地面大气风速湍流内尺度和湍流动能耗散率随时间的变化规律,分析湍流内尺度和湍流动能耗散率与大气稳定度的相关性,并与三维超声风速计的测量结果进行比较。结果表明:近地面湍流动能耗散率在10 ^-4~10 ^-1 m ²/s ³之间,内尺度在10 ^-3~ 10 ^-2 m之间;当大气处于稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0146 m ²/s ³,平均内尺度为0.0089 m;当大气处于不稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0592 m ²/s ³,平均内尺度为0.0077 m。由于功率谱分析法是直接测量湍流内尺度,因此计算的内尺度最为准确。

利用自行研制的湍流气象探空仪,对西藏拉萨的温度、风速、风向等常规气象参数廓线和 Cn2廓线进行探测。分析了湍流强度和常规气象参数随高度的变化趋势。比较了夜晚和早晨的湍流特征,发现8~15 km处两者均出现强湍流层,且8 km以上早晨的湍流强度大于夜晚的湍流强度。同时基于Hufnagel-Vally 5/7模式,利用探空数据拟合得到符合拉萨湍流特征的拉萨 Cn2经验模式。对此经验模式进行统计分析,结果进一步证明拉萨 Cn2经验模式能有效估算拉萨的湍流强度。最后,将拉萨与高美谷的探空数据进行对比分析,发现拉萨的风速较小对天文观测有利,但湍流强度较强对天文观测有一定影响。该研究为后续拉萨湍流廓线和天文台选址的研究提供了参考,并为光电工程的应用提供了技术支持。

在新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区释放的探空气球，实现了温度、气压、风速等常规气象参数以及大气折射率结构常数的廓线测量。基于Tatarski湍流参数化方案以及以上地区探空数据，利用Thorpe尺度估算了新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区的高空大气光学湍流廓线，并将这三个地区实测的廓线与其对应的估算结果做了对比，结果表明：估算值与实测值在量级和变化趋势上表现出较好的一致性，相关性分别为69%,60%,68%；Thorpe尺度相较于其他估算湍流廓线的参数化方法输入参数少、更简便。

大气光学湍流的存在会严重制约光学系统的性能。为了能够降低大气湍流的影响, 满足光电工程的应用, 准确地估算出不同场景下的大气光学湍流廓线具有十分重要的指导意义。基于Tatarski光学湍流参数化方案和广泛应用的外尺度模式, 利用探空仪测量的气象探空数据, 对内陆(合肥)、海陆交界处(茂名)和远海海洋这三个不同环境下的大气光学湍流廓线进行估算。将合肥和茂名两地的估算值与实际观测的廓线进行对比验证, 发现在变化趋势和量级上相近, 为该模式估算远海海洋的大气光学湍流廓线提供了依据。结果表明模式能够较好地估算出不同环境下的光学湍流廓线。此外, 还发现高空光学湍流的发生与风切变和温度梯度有重要关系。

分析了折返路径光学湍流激光成像探测技术发展的背景和意义,阐述了湍流大气中的折返路径激光传输物理过程及其数学模型。 利用构建的实验系统,获取了人造流场和自然湍流场中动态变化的激光散斑回波图像,分析了图像的典型特征。计算表明: 利用低通滤波算法可将激光光斑分解成低频的阴影和高频的散斑亮点图像;对相邻的两帧阴影图像进行互相关运算,可以获得 二维的横向风场矢量,从而实现湍流场及其中涡旋结构的可视化,同时显示出湍流场在空间上的各向异性。提出了若干有待探究 的科学问题,例如如何利用风场矢量提取光学湍流的尺度参数,以及如何利用散斑亮点结合背景纹影技术来分析湍流场结构等, 作为下一步的研究目标。

介绍了一种估算大气光学湍流的方法--支持向量机。依据该方法用温度梯度、风速和相对湿度估算了2014年5月13日至2014年5月18日四川成都平原地区近地面连续6天的大气折射率结构常数C2n, 并将其与实际观测值进行了比较。结果表明两者吻合得较好, 能基本表现成都地区的光学湍流特征。与Wyngaard算法相比, 支持向量机得到的结果与观测值更加贴近, 其夜间估算的准确度高于Wyngaard算法。相关分析结果表明: 估算值与观测值的相关度在80%以上。平均绝对误差与平均相对误差等误差分析显示, 训练好的支持向量机能够基本准确地估算出成都地区的C2n, 但转换时刻的估算值与观测值仍有一定误差。该研究表明, 进一步提高估算精度需要改进模式在转换时刻的估算结果。

基于Monin-Obukhov相似性理论, 采用MARIAH算法, 利用成都和茂名两个地区、两个高度层上的温度、湿度、风速等常规气象参数估算折射率结构常数, 并对估算值与温度脉动仪测量值进行比较分析。结果显示: 利用常规气象参数估算得到的成都与茂名的折射率结构常数在变化趋势及量级上基本符合温度脉动仪测量值。成都和茂名的折射率结构常数估算值与测量值的相关系数分别为0.86与0.92, 平均绝对值偏差分别为0.410与0.414。因此, 采用MARIAH算法估算陆地和近海面大气光学折射率结构常数是可行的; 茂名中午时刻的折射率结构常数峰值比成都大一个量级。

光学湍流预报涉及大气科学、计算数学、光学工程等多个学科以及计算机技术、湍流测量技术等多种技术。提高低平流层下对大气光学湍流的预报能力成为迫切需要。讨论了预报光学湍流时选用中尺度气象模式的原因、具有代表性中尺度气象模式的特点、光学湍流参数化、中尺度气象模式预报光学湍流的研究现状及所面临的挑战等问题, 并对该领域下一阶段的发展进行了展望。对符合我国地域气候特征的外尺度参数化公式、中尺度模式与微尺度模式嵌套以及低平流层下非Kolmogorov湍流的统计特征和大气光学湍流参数化新方法进行研究, 该研究对提高光学湍流预报的空间分辨率和预报精度具有重要意义。