提出一种基于绝对中位值偏差（MAD）的光流计算方法，并用于计算近地面大气湍流折射率结构常数Cn2。通过光流计算捕捉望远镜系统拍摄的前后多帧目标图像的抖动信息，得到传输路径上的到达角起伏方差均值，从而估算近地面大气湍流折射率结构常数。通过在合肥市进行了为期6天的观测实验，将模型估计的Cn2均值与观测路径上温度脉动仪的实测结果进行充分对比，最终得到估算值与实测值的平均偏差（BIAS）、方均根误差（RMSE）、相关系数分别为-0. 0202、0. 2391、0. 8230，充分证明所提方法可以有效估算近地面大气湍流折射率结构常数，为基于图像反演大气湍流参数提供参考。

大气折射率结构常数在自适应光学系统、天文观测以及大气湍流模型等研究领域都有着重要的意义。基于差分像移的大气湍流廓线的测量原理, 研制了一套距离分辨的大气湍流廓线激光雷达。差分像移湍流廓线激光雷达相比传统湍流测量技术对仪器误差, 比如震动和离焦不敏感, 可以对目标进行实时的主动探测, 并能够得到测路径上随距离分布的大气湍流廓线。介绍了差分像移湍流廓线激光雷达的基本原理与系统结构, 利用该湍流廓线激光雷达进行了外场探测实验, 探测距离信号发射点200~8 000 m的目标大气, 距离分辨率为200~1 000 m, 共13个采样点。采用50 Hz帧率的ICCD相机获取信号, 每个采样点测量20 s, 获得1 000张图像, 计算出对应的差分像移, 并进一步反演出对应的折射率结构常数, 得到了大气湍流的距离分布廓线, 最后对实验的结果与过程进行分析, 验证了该激光雷达系统的功能性。

利用两种不同大气湍流结构常数模型，讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出：相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定，而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例，在给定的不同强度湍流下，对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％，而低层大气湍流的贡献比例都小于3％。