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。

综合利用微波辐射计、风廓线雷达、自动气象站、温度脉动仪及历史探空资料等多源测量数据可实时估算整层大气光学湍流。本文通过构建实时大气参数廓线，计算边界层高度，在边界层和自由大气层分别采用指数递减模式和Dewan外尺度模式估算大气折射率结构常数（Cn2）廓线，拼接后积分实现了大气相干长度（r0）的实时估算，并与相干长度仪实测r0进行了对比。通过误差分析可知，r0的模式估算值与实测值在大气层结不稳定状态均方根误差最小，相关性较好，在稳定和近中性状态均方根误差较大，相关性较差，尤其在近中性状态均方根误差最大。研究结果表明，利用多源大气测量数据，采用分层估算的方法实时估算整层大气光学湍流是可行的，具有一定的工程应用价值。

大气相干长度是衡量积分路径大气光学湍流强度的重要参数。归纳了折返路径大气相干长度的测量理论，构建了一套基于3M反光膜的激光主动照明信标大气相干长度测量系统，利用3M反光膜的反射率高、面积大的特性降低了对探测激光功率的要求，实现了探测系统单端配置收发一体。通过切换主动照明信标和传统650 nm激光信标来测量大气相干长度，全天对比测量实验结果以及多日主动照明信标成像探测数据表明：主动照明3M反光膜信标的折返路径测量结果与传统方法测量结果的相对偏差小于2.5%；得益于系统收发一体，利用对聚焦光束主动照明信标成像探测的方法也可以较为准确地反演传输路径光学湍流强度。相关实验结果对于验证折返路径光传输模型、探索长程单端光学湍流遥测有一定参考意义。

大气相干长度是定量描述大气湍流强度的重要参数,提出一种通过对同一斜程路径进行双向大气相干长度测量、从而建立实时的湍流强度随高度的分布模式的方法,并进行了多日全天观测实验以验证所提方法。通过不同天气条件下得到的测量路径湍流强度时空分布的相互比较,以及对多日大气相干长度测量比值的统计分析,初步验证了所提方法的准确性。

大气相干长度是评价激光传输系统自适应相位校正效果的重要参数,因此对大气相干长度进行测量分析具有实际应用价值。设计并搭建了一种基于差分像运动法测量大气相干长度的光学系统,并进行了外场实验,分析了西安地区全天范围内大气相干长度的变化趋势。结果表明,虽然在不同方向上测量的大气相干长度值有所不同,但总体变化趋势一致,且夜晚变化较白天更为稳定。本文结果为研究城市无线光通信系统提供了一定的参考。

在大气相干长度r0的测量中,相同的仪器和数据处理方法,不同的信噪比对实验测得结果有较大影响。通过分析实测中的噪声模型, 利用matlab仿真,保持信号光强度不变,在光斑图像上添加高斯噪声,改变图像的信噪比。以不含背景时的光斑图像求得的r0作真值, 分别求出不同信噪比下r0对真值的相对偏差。发现当信噪比小于5时,相对偏差大幅增加。在相同信噪比下,采用不同的背景 处理方法,发现减去平均背景后,剩下的高斯噪声对质心位置的影响很小。在不同信噪比下,减1倍平均背景及0.6倍背景起伏标准差后相对偏差整体表现最小。

基于湍流冻结假说,利用时空相关函数分析了使用大气相干长度仪(DIMM)测量横向平均风速的原理,并通过闪烁和到达角起伏测量风速的路 径权重函数确定风速传感器的安装位置。在弱湍流条件下,根据水平1 km传输实验测量的到达角起伏和光强起伏数据,分别计算横向风速并 与风速传感器同时测量的参考风速对比,发现利用到达角起伏计算的风速与参考风速有一定的相关性。该实验拓展了大气相干长度仪的使用功能。

由于差分像运动监测法测量大气相干长度需要多帧统计, 本文应用波前结构函数法, 提出了一种大气相干长度的瞬时测量方法。该方法通过Shack-Hartmann波前探测器测量单帧短曝光畸变波前的Zernike系数;然后减去光学系统初始像差的Zernike系数, 去除倾斜项, 计算波前结构函数;最后,与满足Kolmogorov湍流理论的大气短曝光理论波前结构函数进行最小二乘拟合, 得到瞬时大气相干长度。利用湍流相位板构造了相应的测试系统, 并进行了外场实测对比。结果表明: 提出的基于波前结构函数法的测量结果与差分像运动监测法的测量结果基本吻合; 不同格林伍德频率下, 标准差与均值之比小于4.1%, 稳定性较好; 外场比对累计16个夜晚, 得到的平均偏差小于0.45 cm。该方法可以实现空间目标大气相干长度的单帧瞬时测量, 并可用于观测站点的视宁度、自适应光学系统内部大气湍流强度和地基大口径望远镜主镜视宁度的监测。

基于大气相干长度和等晕角综合测量系统在中国西部地区的长期测量资料，分析了大气相干长度和等晕角的时间变化和统计分布特征，给出了白天、夜间、傍晚转换时刻三个时段大气相干长度和等晕角的平均值和标准差。对原始数据的概率分布统计表明，不同地区不同月份大气相干长度和等晕角近似满足对数正态分布，并采用样本偏度和样本峰度描述样本分布同正态分布的偏离程度。分析了大气相干长度和等晕角月平均值的相关性，定性评估了不同时段高层湍流和近地湍流对大气相干长度和等晕角的贡献。