在逆向调制无线光通信系统中，大气湍流对系统的影响大于传统的无线光通信系统。本文研究了一种基于逆向端调制器分集的逆向调制无线光通信系统，以减小大气湍流对系统的影响。利用相位屏法，建立了弱湍流下的激光大气的传输模型，对比分析了逆向调制无线光通信系统逆向端逆向调制器分集和不分集分别所受到的大气湍流的影响。结果显示在相同情况下，逆向调制无线光通信系统在逆向端对逆向调制器进行分集能抑制大气湍流对系统的影响，使整个系统的闪烁指数下降。

研究了基于光纤环形网的多点高精度时频传递的方法,提出了终端站对钟差自感知的方案,将对钟差的感知测量以及补偿转移到终端站执行,实现网络中各个终端站与中心站的时频同步。搭建了长度为100 km的光纤环形网多点时频传递系统,实验研究了链路中色散带来的不对称性偏差的校消方法,验证了链路温度变化下的多点时频传递性能,测量的时频传递同步误差的峰峰值低于400 ps,均方根误差小于60 ps,表明终端站可以在光纤环形网的任意位置灵活接入。

研究了逆向调制光通信回波反射链路中的大气湍流效应及抑制方法。利用相位屏方法模拟大气湍流效应, 建立了弱湍流情况下高斯光束在传统无线光通信和逆向调制光通信中的传播模型, 对比分析了高斯光束在传统自由空间光通信单向链路和逆向调制光通信双向链路中大气湍流引起的闪烁指数。结果显示大气湍流对逆向调制光通信回波反射链路的影响远大于对传统自由空间光通信中单向链路的影响。还研究了孔径平均效应对逆向调制光通信中回波反射链路中闪烁指数的影响。结果表明, 对于逆向调制光通信, 大的接收孔径对于大气闪烁的抑制依然有效。

为了解决长距离逆向调制光通信系统中弱信号难以检测的难题, 将散斑检测方式用于逆向调制光通信中, 实现对逆向调制端弱小光信号抖动的检测.设计了系统方案和检测原理, 并实验完成了60 m距离上1.3 kHz数字信号的传输和330 m距离上模拟话音的传输.该检测方式简单、便宜、易于模块化, 在低速的逆向调制光通信系统中有较好的应用.

利用光子追踪法建立了大气直视信道模型, 仿真分析了信噪比(SNR)、比特率和能见度三者对自由空间光通信误码率的影响。选用1.55μm和10.6μm两个波长作对比分析, 结果显示两种波长的误码率随SNR的增大而减小, 随比特率的增大而增大。在能见度较低时, 10.6μm激光的误码性能优于1.55μm激光, 并且在低SNR和高比特率的情况下, 这种优势越发明显。在能见度较高时, 两种波长的误码性能相差无几。

为了实现强衰减条件下的无线光通信，研究利用单光子探测器检测接收端光信号。在分析门控模式盖革雪崩光电二极管(Gm-APD)工作原理的基础上，基于泊松分布，对单个门内Gm-APD 的触发概率进行研究。根据二项分布，建立了基于单个Gm-APD 的误码率模型，研究了单个门内的信号光子数、背景光子数与信号周期内开门次数对误码率的影响。理论分析与数值仿真结果表明，信号周期内开门次数决定了系统可能达到的最低误码率；误码率随信号周期内开门次数增加呈指数下降；将误码率控制在10^-3相比于10^-9，接收灵敏度将至少提高3 dB。最后通过实验测量了给定条件下的误码率，并与模型仿真结果进行对比，验证了模型的正确性。

在单光子探测峰值扫描测量法的基础上，设计了峰值时延跟踪系统。通过扫描前一次峰值位置附近的时间范围，统计比较出各测量点计数率的最大值，实时获得新的峰值位置，从而实现了温度剧烈变化环境下125km光纤链路上的峰值实时跟踪实验。针对扫描步长大带来的精度受限问题，在峰值判定时引入多项式拟合方法，提高了系统的准确度。通过设计单双程实时测量比对实验，证明了通过峰值时延跟踪系统测得的光脉冲传输时间的准确度优于雪崩光电二极管直接测量法所得结果。

激光在雨中传输时，会受到雨滴的散射和吸收作用导致功率衰减。首先，根据Mie散射理论，给出雨中消光系数的计算方法。其次，介绍了Joss和Weibull两种雨滴尺度分布，通过对比分析得出结论Joss分布更加准确。最后，利用Matlab对远红外激光在雨中的消光系数和链路损耗进行分析。结果表明：消光系数随降雨量的增大而增大; 利用光子追踪法计算得到的链路损耗，由于考虑了光束发散角、接收视场角和散射能量，较朗伯-比尔定律更加贴近实际情况。

提出了一种基于单光子探测的光纤传输时间峰值扫描测量方法。通过调节门控信号的到达时间以及与光脉冲匹配的开闸宽度，统计单光子探测器的计数率峰值来判断光脉冲的准确到达时刻，避免了单光子探测器在盖格工作模式下输出雪崩脉冲的时间抖动测量误差。在理论分析峰值扫描测量法的基础上，设计了峰值扫描测量实验系统，在长度为125 km 光纤信道上测量光脉冲传输时间精度达到35 ps，同时验证了实验系统测量的准确度约为13 ps。

提出平均散射相函数，更为准确地反映了云滴粒子的角散射强度分布特性；基于概率论和随机迁移理论，以马尔可夫数据链的形式建立多次散射随机分析模型，借助蒙特卡罗仿真得到给定通信几何构架下的非视距大气光散射链路路径损耗特性；针对大气链路中有无云存在两种实际，从大气气溶胶散射和云散射两个方面分析非视距大气光散射链路的最优化通信构架设计；通过模型仿真结果与实地实验数据的对比验证了分析的合理性。结论与波长相关，实验及仿真均采用808 nm波长的激光二极管(LD)作为光源。