星地激光通信的关键问题是克服大气湍流效应对激光载波信号传输的影响。信号光束经过长距离大气信道传输后，相位不完整，波面受到畸变，导致接收端系统在解调信号过程中，通信误码率降低。根据国内外星地激光通信的研究进展和实验情况，介绍了几种克服大气湍流效应对高速率星地相干通信影响的方法及其原理。重点分析基于差分相移键控(DPSK)调制和干涉原理的相干探测技术在解调相位信息时克服大气湍流效应方面的优势，并对其进行了总结和展望。

大气湍流的随机变化对星地激光通信性能有所限制，高速激光通信对瞬时湍流特性的描述提出新的要求。基于剪切干涉法对大气相干长度进行直接、实时测量。通过测量经过大气扰动的畸变光波前的剪切相位分布，利用满足各态历经随机过程条件时，相位结构函数的时间平均等于系综平均的特点，结合Fried相位结构函数，得到实时的大气相干长度。采用波长为635 nm的光波进行1.2 km距离实验，成功测得了大气相干长度，并通过对比实验验证了其可行性，解决了在高速激光通信中，传统的测量大气相干长度方法在时间累积和统计分析方面的限制。

利用近红外光谱分析技术的诸多优势, 可实现煤质多项指标的快速分析。 煤样光谱数据的采集易受到噪声散射的干扰, 在建模分析前常用多元散射校正方法对其予以恢复去噪。 而传统的多元散射校正方法存在以线性表达式描述非线性关系的局限性, 以及盲目追随“理想”光谱而导致的失真问题, 为此提出基于拟线性局部加权法的煤样光谱散射校正。 该法先选取二次曲线、 三次曲线和增长曲线等三种拟线性函数, 代替原线性函数; 再分别引入均值核函数、 高斯核函数、 Epanechnikov核函数、 二次权重核函数及三次权重核函数等五种核函数, 在原评估函数中构造局部加权函数, 利用局部加权函数精确表述各波长点处的依赖关系; 最后, 分析不同模式下校正光谱的准确性, 确定拟线性函数与核函数的最佳组合。 为验证方法的适用性, 对0.2, 1和3 mm等三种粒度等级下的煤样光谱数据进行散射校正。 结果表明: 改进多元散射校正方法在消除光谱中散射干扰的同时, 放大了特征谱峰信息, 校正光谱与煤样各项指标的相关性得到了显著增强, 有效地提高了煤质近红外光谱分析模型的预测精度和稳定性。

合成孔径激光成像雷达（SAIL）时空散斑效应严重影响了成像质量。在时空散斑效应基础上，分析了合成孔径激光成像雷达中的散斑天线接收特性，建立了光学接收天线散斑孔径积分场的物理模型，模拟了目标分辨单元光学接收天线散斑孔径积分场距离向时间变化、方位向空间变化的二维分布。分析了不同接收天线散斑尺度比、不同天线积分起始位置对接收天线散斑孔径积分场的影响，并根据其统计性质得到散斑效应影响较小的接收天线尺寸和接收天线积分范围，为合理设计散斑效应较小的接收天线尺寸提供了参考，对进一步分析时空散斑效应如何影响SAIL目标成像有直接意义。

直视合成孔径激光成像雷达（SAIL）中，在发射端主镜的后焦面，两个同轴反向扫描正交偏振发射光束需要具有空间抛物波前相位波前差。采用自差接收探测和相位复数化处理，在交轨向产生与目标点横向位置成正比的线性项调制，在顺轨向产生与目标点纵向位置成中心的二次项相位历程，成像原理分别采用傅里叶变换和匹配滤波聚焦成像。提出了一种新的双面反射镜旋转发射结构，实现了同轴正交偏振的双光束，在交轨向对远场目标反向扫描且速率相同，同时通过柱面镜控制顺轨向光束相位变化。基于傅里叶光学理论和数学近似，理论分析和公式推导双面反射镜的放置位置对内发射光场分布的影响。建立了物理模型，数值模拟正交偏振双光束在发射端衍射到内发射场物理过程，给出光场强度和相位分布，并且和解析分析结果作对比，给出误差分析和结论。

合成孔径激光成像雷达（SAIL）中的散斑效应严重影响成像质量。建立了远距离SAIL系统下激光散斑理论模型，分析了产生时空散斑效应的原因并推导了时空散斑效应的数学表达式。给出了由单个目标分辨单元粗糙表面引起的光学天线接收面上的散斑花样，通过具体实例分析了散斑的统计性质。模拟结果表明，散斑平均宽度与合成孔径中的光学足趾尺度相当；一次脉冲啁啾时间内散斑花样在距离向移动的距离等于散斑的平均宽度。通过大口径SAIL演示样机实验，验证了时空散斑效应的距离向波长特性，从而直接认识了SAIL中的散斑效应。模拟结果为实际SAIL系统中利用多口径接收装置抑制散斑效应提供了一定的参考。

传统的合成孔径激光成像雷达外差接收天线结构，系统的视场角和有效孔径面积总是服从反相关关系，单方面提高其中一项并不能改善最终信噪比。从接收视场角、信号光可探测能力及系统的信噪比3个方面分析讨论了传统的望远镜接收、透镜接收及望远镜自差接收3种典型外差接收结构的优劣。结果表明，透镜单探测器接收结构能增大系统的接收视场，降低发射信号功率，但无法改善最终信噪比；透镜N阵列元的阵列探测器接收结构能保证较大接收视场和较强的探测能力，相对单探测器接收结构发射功率可降低为1/N，信噪比可提高N倍，比传统的望远镜及透镜接收结构有明显的视场大、口径大的探测优势。实验结果与Siegman光学外差接收天线理论吻合，研究结论也为其他光子极限外差探测系统相关参数的选定提供了参考。

在星地激光通信中，大气湍流影响光接收波面，增加通信误码率。采用差分相移键控（DPSK）体制，通过当前码元信号光与延时1 bit的码元信号光干涉得到数据信息。在高码率通信的情况下，由于大气扰动对前后码元信号光的波面影响基本相同，可以通过干涉时波面相位相减得到差分信息。在此基础上，用菲涅耳衍射理论，分析入射光信号在自由空间差分干涉结构中的衍射传输过程。数值模拟仿真过程中，模拟探测波前像差对干涉系统性能的影响，通过对探测端零差效率的分析，验证了自由空间差分干涉结构解调光信号可以在一定程度上克服大气湍流效应对光信号相位信息的扰动。从理论上给出了自由空间差分干涉结构解调光信号的使用条件和结论。