利用Sasiele等提出的空间谱滤波技术,对两种典型应用场景下扩展信标非等晕性问题进行了建模,获得了扩展信标非等晕误差及其不同Zernike模式分量的理论公式。基于理论模型,分析了两种场景和典型湍流模式下扩展信标非等晕误差及其不同Zernike模式分量的特性,结果表明：信标扩展度与接收系统口径相同时,扩展与聚焦耦合非等晕方差最小,但扩展与聚焦耦合非等晕方差高阶项(去平移、倾斜和离焦)分量并非最小,高阶项分量最小时信标扩展尺度应小于接收系统口径；当信标扩展角与信标偏置角相当时,纯信标扩展非等晕方差约是纯角度非等晕方差的2.2%；相对湍流大气纯角度和纯聚焦非等晕方差,信标扩展导致的湍流大气非等晕是小量,多数情况下可不考虑。

通过理论分析和数值模拟，对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在湍流大气中传输时，湍流将导致光束的束腰向发射点移动，且湍流越强移动的幅度越大；大气湍流强度相同时，聚焦平台光束发射口径越小，其束腰移动的幅度越大。另外，通过调节发射系统的焦距，使聚焦平台光束的束腰正好位于接收探测器处时，接收探测器上的激光功率密度并非最大，只有当发射系统的焦距等于激光的传输距离时，接收探测器上的激光功率密度才会最大。

估算陆地近地层光学湍流通常需要利用两层不同高度的气象观测,而常规气象观测通常只有一层。为了利用单层常规气 象观测估算陆地近地层光学湍流,通过采用Shapiro给出的利用常规气象要素估算地面太阳辐射的经验模型,以及美 国陆军统一土壤分类方案,基于地面能量平衡,建立一个陆地近地层光学湍流估算模型。首先通过数值求解土壤热 传导方程估算土壤温度,再基于地面能量平衡估算地面温度、基于强迫恢复方法估算地面湿度；最后,将估算的 地面温度和湿度看作是粗糙度高度的温度与湿度,结合常规单层气象观测数据,估算光学湍流强度。实例计算表明: 该方法估算的光学湍流强度整体上与利用两层气象观测估算的光学湍流强度基本一致。

采用密度矩阵方法来处理长脉冲光与钠原子的相互作用,求解24能级钠精细结构的布洛赫方程,给出参与跃迁的每个态密度随时间的演化曲线。对于圆偏振情形,发现在长脉冲(大于100 ns)的持续时间内,最终的原子通过转移只在3S1/2(2,2)到3P3/2(3,3)之间进行泵浦并且激发态达到稳态。进一步的2能级模型计算与24能级计算结果的对比表明:用2能级近似的速率方程方法取代24能级密度矩阵方法具有合理性,由此简化了模型,节约了后续研究的计算量。

激光导星可以部分解决自适应光学系统信标难题。给出典型激光导星自适应光学系统主要误差空间功率谱的简化计算模型。与常用的Monte-Carlo类型的模拟相比,该模型提供了激光导星自适应光学系统性能随主要控制参数变化的一种快速有效的评估手段。

利用数值天气预报模式预报产品开展了不同季节海面光学湍流数值预报研究，发现：南北纬30°之间海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化较小，南北纬30°以外高纬度海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化显著，夏半球光学湍流强度相对较弱、大气相干长度相对较大，冬半球光学湍流强度相对较强、大气相干长度相对较小。全球大部分海域，10．6μm光波10m高度光学湍流强度大于10^－15m^－2／3，0．55μm光波10m高度光学湍流强度小于10^－15m^－2／3。若沿海面10m高度水平传播10km，全球大部分海域，10．6μm光波大气相干长度大于60cm，0．55μm光波大气相干长度小于6cm。利用两个不同数值天气预报模式同期产品制作的海面光学湍流强度预报全球海域分布特征相似，但模式水平分辨率越高，预报的海面光学湍流强度的水平分布特征越清晰。

激光在传输的过程中,光斑受到大气湍流的影响,会“破碎”成若干碎片。对发射光束取不同形状和不同光束质量时,在不同湍流强度情况下的传输进行了计算,并对碎斑特征进行统计分析。结果表明,随光束质量变差和湍流强度的增强,总光斑扩大,碎斑数目增多,占空比减小,而碎斑半径变化不大,约为真空衍射包含总能量63.2%的光桶半径。针对这一现象,从薄环光束真空衍射、双孔衍射、将光场分解为不同频率场的叠加和实心束强湍流等四种情况分别进行了讨论,给出了初步的理论分析。

基于近地层相似理论以及极端层结下对该理论的修正, 建立了海洋大气近地层光学湍流估算模型, 并进行了数值分析。结果表明:当气温与海温相差较大时, 温度起伏对光学湍流贡献最大;当气温与海温相差较小时, 海面湿度越小, 光学湍流越强;在较低湿度条件下, 尤其在红外窗区, 湿度扰动对光学湍流贡献起支配作用。当气温小于海温时, 光学湍流先随海面风速增大而增强, 后随风速增大而减弱;当气温大于海温时, 光学湍流总体上是伴随海面风速增大而减弱。当气温小于海温或与海温接近时, 与可见光和近红外波段相比, 红外窗区光学湍流显著偏强;当气温远大于海温时, 两波段光学湍流接近。在中性和近中性层结下, 大气折射率结构参量C2n依赖于垂直高度的负幂指数接近-2/3, 伴随海面大气层结稳定度或不稳定度增强, C2n依赖于垂直高度的负幂指数的绝对值分别逐渐减小或增大, 并分别趋近于稳定极限下的0或不稳定极限下的-4/3。

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟.从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式;一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式.研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米-高斯光束的叠加;相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小;湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的.

激光在大气湍流中长距离近水平传输时,闪烁加强,限制了常规自适应光学的校正能力.数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响,拟合得到了在Fresnel数一定时,Strehl比与Rytov方差的表达式,以及Rytov方差一定时,Strehl比与Fresnel数的表达式.结果表明,在Rytov方差较小时,纯相位校正Strehl比只与Rytov方差有关;随着Rytov方差的增加,Strehl比不仅与Rytov方差有关,还与Fresnel数有关,Fresnel数越大,校正Strehl比越大;大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比;在一定的Rytov方差下,Stregl比随Fresnel数增大而增加,逐步趋于饱和,达到纯相位校正的极限.