光束在海洋介质中传输会极大地受到海洋湍流的影响。此外，涡旋光束轨道角动量的复用会极大地提高系统容量，因此研究涡旋光束在海洋湍流中的传输具有重要意义。在水平海洋湍流理论基础上，创新性地构建了斜程路径上海洋湍流相位屏模型，以相位结构函数为依据验证了海洋湍流相位屏的准确性，根据多相位屏法搭建准直高斯涡旋光束在海洋湍流中的上行传输链路模型。数值模拟并分析了不同天顶角、海洋湍流内外尺度及拓扑荷数等其他海洋湍流参数对准直高斯涡旋光束经海洋湍流上行传输的光强及相位分布、光束漂移、轴上闪烁指数和长曝光光斑半径的影响。结果表明：涡旋光束的拓扑荷数越小、天顶角越小，光束受到湍流的影响越大；在海洋湍流上行传输链路中，准直高斯涡旋光束的光束漂移、轴上闪烁指数及长曝光光斑半径随海洋湍流外尺度的增大而增大，且主要受传输距离的影响；理想情况下，取海洋湍流外尺度为无穷大，会高估湍流对光束的影响；由于涡旋光束的本身特性，拓扑荷数对光强及相位分布和长曝光光斑半径的影响也较为显著。

为研究强湍流效应下大气湍流外尺度与内尺度对高斯波束光斑漂移特性的影响，首先利用修正的von Karman谱，分别推导出高斯光束在聚焦和准直条件下传输的光束漂移方差表达式，并且利用实验数据进行验证；进而根据所推导的光束漂移表达式，利用数值分析方法，对不同内外尺度条件下的光束漂移特性进行研究。研究结果表明外尺度的增大会加强光束漂移效应，而内尺度的变化对光束漂移特性无显著影响。

为了提升长导轨五自由度测量中直线度测量精度，对五自由度测量装置中直线度测量单元的测量光路、误差模型和标定方法等进行研究。长距离测量时基准光束角度漂移会造成严重的直线度误差，光路中采用了望远物镜结构测量角度漂移，相比于单透镜，这种可以在有限空间内增加焦距，使得组合焦距大于机械尺寸，从而提高测量精度，并通过补偿提高测量稳定性；分析了角度串扰引入的误差，并结合装置中的角度测量值建立了补偿模型；采用四象限探测器作为直线度测量传感器，为解决传感器测量非线性随量程变大而加剧以及测量灵敏度随长导轨移动非线性变化的问题，提出了一种多项式拟合与三次样条插值拟合相结合的分区间标定方法。试验结果表明：在5 m的测量距离以及±400 μm的量程内，与激光干涉仪测量结果对比，误差标准差小于0.3 μm，3 h内漂移小于±0.5 μm。满足长导轨直线度测量对大量程、高精度、高稳定性的要求。

为了更准确地反映湍流的实际特征，在光波的大气传输模拟中应采用修正大气折射率谱模型.本文针对该谱模型提出了一种高精度湍流相位屏生成方法.通过改变模型在低频区的采样设置，实现了基于修正大气谱的湍流相位屏高精度生成.通过与原始FFT法、次谐波法以及改进前的优化方法相比发现，本文提出的改进后的优化方法能将相位屏低频区域的最大相对误差从改进前的6.75%减小到1%，作为比较，原始FFT法在低频区的最大相对误差为22.99%，次谐波法为16.81%.利用该方法所生成的相位屏对高斯光束在湍流中的传输进行了模拟并对光束扩展和光束漂移等二阶统计特性进行了估计.结果表明，在弱扰动条件下，模拟结果和理论预测的结果是一致的；在强扰动条件下，随着距离的增加，模拟结果与理论结果偏差越来越大，其中光束扩展与理论预测的偏差最大可达6 cm，而光束漂移可达1 cm，这是由于理论模型无法预测漂移饱和现象而导致的.在与Von-Karman谱的模拟结果比较时发现，修正大气谱估计的光束扩展大于Von-Karman谱的估计且在光束漂移的预测中比Von-Karman谱更快的达到饱和，这正是修正大气谱高波数处存在"凸起"的结果.本文提出的方法生成的相位屏能够有效的表征实际大气的折射率扰动特性.

海洋湍流是制约水下激光通信应用的重要因素之一，相对于大气湍流，海洋湍流在较短距离内即可达到强起伏，针对强湍流传输特性及数值仿真的可靠性验证具有重要意义。基于大气湍流传输特性理论公式，利用大气湍流参数等效表达海洋湍流的方法给出了弱起伏到强起伏条件下海洋湍流传输特性的理论计算公式。针对相位屏法在海洋湍流仿真中的应用，给出了选取相位屏间距、网格尺寸和网格数目的基本要求，并数值仿真了海洋湍流不同参数条件下的传输特性，与理论计算结果进行了对比。结果表明：基于相位屏法得到的光强一阶矩传输特性参量与解析结果较为一致，但是在强闪烁条件下数值仿真光强闪烁特性与理论结果偏差较大。