大气湍流是影响激光大气传输的主要因素之一, 由于实际大气湍流的不可控, 所以开展激光大气传输效应研究时需要在实验室建立稳定、可控的模拟大气湍流。此外, 同时对多个大气湍流参数进行实时测量也是大气湍流参数测量技术中一个很有意义的研究课题。利用热风受迫对流在实验室研制了大气湍流模拟装置, 研究了大气相干长度、大气湍流强度、内尺度等大气湍流参数的实时测量技术; 在几何光学近似的条件下, 利用光学方法测量了经实验室模拟湍流大气传输后的光束强度起伏和到达角起伏, 从而获得实验室模拟大气湍流的参数, 并通过分析实验测量数据, 给出大气湍流参数的测量不确定度; 最后, 对实验测量数据与相关文献测量数据进行了比对。结果表明所建实验室大气湍流模拟装置可用于大气湍流参数实时测量技术研究和实验室激光大气传输效应研究。

大气折射率结构常数在自适应光学系统、天文观测以及大气湍流模型等研究领域都有着重要的意义。基于差分像移的大气湍流廓线的测量原理, 研制了一套距离分辨的大气湍流廓线激光雷达。差分像移湍流廓线激光雷达相比传统湍流测量技术对仪器误差, 比如震动和离焦不敏感, 可以对目标进行实时的主动探测, 并能够得到测路径上随距离分布的大气湍流廓线。介绍了差分像移湍流廓线激光雷达的基本原理与系统结构, 利用该湍流廓线激光雷达进行了外场探测实验, 探测距离信号发射点200~8 000 m的目标大气, 距离分辨率为200~1 000 m, 共13个采样点。采用50 Hz帧率的ICCD相机获取信号, 每个采样点测量20 s, 获得1 000张图像, 计算出对应的差分像移, 并进一步反演出对应的折射率结构常数, 得到了大气湍流的距离分布廓线, 最后对实验的结果与过程进行分析, 验证了该激光雷达系统的功能性。

湍流廓线激光雷达是近十年出现的测量大气湍流强度廓线的新技术，目前数据处理已成为该技术的关键环节。对湍流廓线激光雷达的数据处理方法进行了详细地描述，重点研究了双光斑图像背景阈值计算方法与大气湍流强度廓线反演算法。比较了迭代法、最大类间方差法和统计法三种背景阈值计算方法分别在强信号与弱信号下的计算结果，得出统计法是比较适合双光斑图像的背景阈值计算方法。在背景阈值计算的基础上对图像进行分割并计算得到双光斑的质心距，统计多帧图像的质心距起伏得到达角起伏方差。然后利用HV-21模型模拟了从到达角起伏方差反演大气湍流强度廓线的算法，所得结果与原始值大小相近、整体变化趋势一致，但是不能反映原始值的细节变化趋势。

为了在激光大气传输四维数值模拟中考虑激光光束抖动带来的影响，推导了光束抖动倾斜角与Zernike多项式低阶项系数之间的关系，提出了一种激光传输光束抖动效应的数值模拟方法。为验证该数值模拟方法的正确性，针对均匀聚焦光束，计算了大气湍流与抖动效应综合作用下长期光束扩展角半径，数值模拟计算结果与理论公式计算结果基本一致，验证了激光传输抖动效应数值模拟方法的正确性。

为了实现半导体激光器的光束准直, 分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元, 提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后, 快轴方向剩余发散角约为0.34°, 慢轴方向剩余发散角约为2.69°。结果表明, 像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直, 而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。

等晕角是反映大气湍流特性的重要参数之一，对自适应光学系统设计和补偿效果分析有着重要的作用。介绍了一种新型的三环结构变迹镜，并将其应用于高精度等晕角测量。给出了测量原理和实验测量方法，进行了夜间等晕角的测量。理论推导结果表明：利用三环结构变迹镜对光强调制，能够很好地拟合大气湍流随高度分布的加权特性，并提高等晕角的测量精度。测量结果表明：西安城区夜间的等晕角变化范围为5~10 μrad，与同纬度地区的等晕角值比较一致。针对现有实验系统存在的问题提出了改进方案。

实现了一种适合戈壁沙漠地区的边界层大气光学折射率结构常数的参数化公式方法。通过测量边界层内温度、风速和压强等相关常规气象参数，结合参数化公式可得出边界层内大气湍流强度的高度分布特性。公式计算的边界层大气湍流强度随着高度的增加总体在逐渐减小，近地面300 m以内变化较小，300 m以上大气湍流强度迅速减小，然后趋于缓慢变化。将边界层大气湍流强度高度分布模型计算结果与著名的Hufnagel-Valley(H-V)模型计算结果进行对比，二者具有很好的一致性。

分析了闽西地区近地面部分高度的折射率结构常数在部分月份的变化特点,结果表明:该地区的近地面折射 率结构常数日变化具有较明显的局地特征;白天近地面折射率结构常数高度分布特点符合“－2/5”规律,夜间近 地面折射率结构常数高度分布特点符合“－1/3”规律;在10?12月中,由于云量的影响, 11月的湍流 强度最弱, 10月湍流强度最强；同高度条件下,晴天的折射率结构常数约是阴天的折射率结构常数2倍以上。

利用温度脉动仪对2010年4-12月库尔勒戈壁地区近地面大气折射率结构常数进行了测量, 按月对测量数据进行了对数平均。根据对数平均值对日变化特征进行了分析, 并对大气湍流强弱时段进行了统计。研究结果显示：戈壁地区大气湍流在日落时段较日出时段弱；日出转换时刻, 均值湍流强度在10-15 m-2/3以下, 日落转换时刻, 均值湍流强度在10-16 m-2/3左右； 4, 6, 8, 9月份的近地面大气湍流强度较强, 5, 7, 10月份居中, 11, 12月份较弱。