大气折射率结构常数Cn2是反映湍流强度变化状况的重要大气参数。针对反演Cn2时所需初始输入数据多、未运用单一类型数据反演的问题，提出一种以整层大气相干长度r0和整层大气等晕角θ0数据为输入反演Cn2的新方法。基于广义的Hufnagel-Valley（HV）湍流模型，推导出r0和θ0之间的理论关系式，以新疆南山实测的r0和θ0数据为基础，反演计算得到广义HV模型的七个参数进而计算出Cn2廓线，再将七个参数值代入推导出的r0、θ0理论关系式计算出单日θ0值。仿真计算结果表明，拟合出的平均Cn2廓线和单日Cn2廓线，其变化趋势与香河模型相比，一致性较好，吻合度较高；单日计算θ0值与实测θ0值之间的日相关系数平均值达到了81.95%，最高达87%。该结果验证了所提方法的可行性，为研究Cn2廓线的反演提供了参考。

无线紫外光在大气中进行非直视散射通信时，大气微粒的散射和吸收作用以及低空大气湍流的变化会对紫外光通信（UVC）性能产生强烈的影响。建立了低空大气湍流无线紫外光非直视（NLOS）单次散射通信链路模型，通过计算机仿真分析了收发端范围、折射率结构参数、指向角等不同因素下NLOS散射通信的光强分布特性、信噪比、信号衰减等系统通信性能，以及高度变化对白天和夜间UVC的影响。仿真结果表明：不同高度湍流变化下昼夜间无线UVC性能存在一定差距，水平通信、垂直通信和斜程通信时：在夜间的大气折射率结构常数相对于弱湍流情况增大一个数量级，信号能量平均衰减为原来的1/2.09、1/2.16、1/2.03；在白天的大气折射率结构常数相对于弱湍流情况增大一个数量级，信号能量平均衰减为原来的1/2.07、1/2.15、1/1.96。夜间通信受湍流的影响更大，白天的通信性能比夜间好，湍流对垂直通信的影响较大。

提出一种改进自适应粒子群算法并将其应用于大气光学湍流廓线模式的拟合研究。为提高粒子群算法的寻优速度，避免陷入局部最优，提出一种改进的自适应粒子群算法。采用当前粒子与全局最优位置的距离来调控惯性权重系数，进行非线性自适应变化；采取对称线性变化思想设计自我学习因子和社会学习因子，实现了各阶段寻优重点的自适应改变。把改进的自适应粒子群算法引入到求解阿里地区广义Hufnagel-Valley湍流模式中，拟合得到该地区早晚和四季的湍流模式廓线。仿真表明，本文算法的判定系数均在0.997以上，这与探空获得的统计平均廓线保持一致。对比其他自适应粒子群算法，本文算法的收敛精度基本一致但速度更快。本研究为基于Hufnagel-Valley湍流廓线模式拟合提供了新方法。

差分波前激光雷达是基于双孔望远镜探测的激光回波波前差分抖动方差来探测大气光学湍流强度的雷达系统。为评估与优化系统探测大气湍流的性能,进行了数值仿真。基于波动光学理论、大气湍流相位屏模型和大气消光模型来模拟激光在垂直大气路径上的传输,并结合网格采样的优化设计,得到了激光光束在传播路径上不同位置的光强分布。利用非相干光源成像原理,根据不同传输路径处的后向散射光强分布得到了探测器上两个光斑图像的分布信息。根据仿真结果,随着湍流强度的提高,光束波前畸变程度加深。成像光斑直径随着探测高度的增大而减小,探测高度为10 km时,成像光斑直径减小到2.45×10 ^-4 m。通过对比仿真的反演结果与仿真输入的HV_5/7(Hufnagel-Valley 5/7)的结果,发现两者具有较高的一致性,这初步证明差分波前激光雷达探测大气湍流的原理及方法的可靠性。

利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。

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。

在Rytov方差的基础上,利用Andrews的唯像闪烁模型,推导出部分相干光通过强大气湍流后的对数光强起伏方差,并在此基础上进行了仿真.结果表明,当光源的相干性变差,即变为部分相干光后,对数光强起伏方差变小;当采用多束部分相干光通过大气湍流时,接收面上光强起伏方差得到明显改善,并且光束越多,改善越明显,但利用部分相干光通信时传输距离受限制.所以,光源的相干参数选择要适当.