利用单通道恒温热线仪获取采样频率为4000 Hz的风速脉动数据,得到包括含能区、惯性子区以及耗散区的完整风速脉动功率谱。基于功率谱分析法得到近地面大气风速湍流内尺度和湍流动能耗散率随时间的变化规律,分析湍流内尺度和湍流动能耗散率与大气稳定度的相关性,并与三维超声风速计的测量结果进行比较。结果表明:近地面湍流动能耗散率在10 ^-4~10 ^-1 m ²/s ³之间,内尺度在10 ^-3~ 10 ^-2 m之间;当大气处于稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0146 m ²/s ³,平均内尺度为0.0089 m;当大气处于不稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0592 m ²/s ³,平均内尺度为0.0077 m。由于功率谱分析法是直接测量湍流内尺度,因此计算的内尺度最为准确。

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。

为了研究随高度变化的大气湍流外尺度对斜程路径点目标回波闪烁指数的影响，基于修正Rytov方法，将斜程路径下双基系统及单基系统点目标回波的闪烁指数模型拓展至中度及强起伏湍流区域。该模型不仅包含内尺度因素，而且考虑了随高度变化的外尺度因素。数值模拟结果表明：当湍流起伏较弱时，外尺度对于闪烁指数的影响远小于内尺度；但当系统处于中度及强起伏湍流时，随高度变化的外尺度因素的影响作用明显，不可忽略。在激光通信、激光探测等系统中，可利用该研究结果对系统所处湍流区域引起的闪烁效应进行预测，以调整系统至最佳配置。

Gamma-Gamma模型是目前无线光通信中常用的光强闪烁模型。针对其参数模型较为复杂，各种近似模型的使用无参考依据的问题，在高斯光束下，通过仿真计算的方法，分别研究了波形条件、孔径尺寸、传输距离、内外尺度、湍流强度以及波长六方面因素对Gamma-Gamma模型的影响情况。结果表明：波形条件、孔径直径、传输距离、湍流强度对其影响都是不可忽略的，而内外尺度、近红外波段波长的影响则可以忽略不计；同时，只要孔径直径与传输距离的比值保持不变，则Gamma-Gamma模型分布特性不变。这些结论可为实际应用中模型的简化和无线光通信设备参数的设置提供参考和依据。

在不同湍流内尺度情况下, 对大气湍流引起的光波光强闪烁和到达角起伏的时间频谱特征进行了实验研究。由于实际大气湍流的复杂性和不可控性, 利用大气湍流模拟箱来生成具有不同内尺度的大气湍流实验环境。利用位置敏感探测器对光波的光强闪烁和到达角起伏进行了同时测量, 并反演得到了光传输路径上的湍流内尺度。实验结果显示: 湍流内尺度为2.7~5.0 mm, 对应同一湍流内尺度, 闪烁频谱和到达角起伏频谱在高频段以相同的幂指数关系下降, 幂指数的绝对值与湍流内尺度的大小呈线性关系, 随着内尺度的增大, 频谱指数变化区间逐渐向低频方向移动。

基于Taylor湍流冻结假设理论, 在不同湍流折射率谱型条件下, 推导得出了光波闪烁和相位起伏频谱的表达式；数值计算了湍流谱型中折射率标度指数、内尺度以及外尺度变化时对光波频谱的影响。结果表明：随着折射率起伏标度指数的增大, 闪烁频谱的低频段不再仅为常数, 高频段下降的幂率逐渐增大, 同时相位频谱在整个起伏频率段下降的幂率越来越大；湍流内尺度的增加将引起光波频谱的高频段下降的幂率越来越大；而随外尺度的减小, 闪烁频谱低频段的振幅减小, 这种影响在大口径接收时较为明显, 相位谱的低频段幂率减小。

为了解决微内尺度的精密测量问题，提出了一种基于正交傅里叶-梅林矩(OFMM’s)定位的双光纤耦合瞄准触发式微内尺度测量方法。该方法通过耦合器实现光能量在不同光纤间的反向传输，把双光纤传感器测头的横向位移量转化为光束的偏转量，通过显微成像系统把此偏转量转化为CCD图像捕捉系统更大的横向位移量。为提高测量精度，运用OFMM’s的幅值旋转不变性和独特的图像形状细节特征的描述能力对CCD图像捕捉系统的图像信号进行亚像素定位；根据OFMM’s的实际位置进行补偿以提高输出图像边缘的定位精度，从而提高测量精度。对OFMM’s的定位精度及传感器性能进行了实验验证，并依据JJF(黑)8-2008，利用自行研制的微小孔径测量机实现了对直径为200 μm、深2 000 μm深盲孔的直径测量，其测量重复性不确定度优于0.25 μm。

为研究大气结构常数、湍流特征尺度、跟踪距离以及接收孔径对激光跟踪系统角精度的影响，采用同时包含湍流内尺度和外尺度影响的综合湍流谱对大气湍流中激光到达角起伏引起的激光跟踪系统角误差进行了数值模拟。结果表明:激光跟踪系统测角精度与系统接收孔径大小有关，并随大气结构常数和跟踪距离的增大而降低;湍流内尺度和外尺度仅在有限范围内影响跟踪系统角精度。分析结果可为系统设计提供参考。

研制了一种便携式三波长激光闪烁仪,使用473 nm、532 nm和671 nm三个波长实现了大气湍流内尺度和折射率结构常数的同步测量.该仪器包含发射系统和接收系统两部分:发射系统由激光器、挡光器和远程无线控制器组成;接收系统包括探测器和数据采集器.仪器的噪声分析表明:系统可测的折射率结构常数的精度为1.0×10-16m-2/3.对三波长的相关性分析证明了利用该闪烁仪反演内尺度的可靠性,同时将三波长激光闪烁仪和温度脉动仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者的相关性系数为0.95.