大气湍流的光学特性在大气科学和光电工程应用研究中有重要影响。鉴于实际大气条件的复杂多变和实验条件的限制，在实验室内建立可控的、有限尺度的人工湍流模拟装置作为大气湍流的替代者，已成为相关研究的重要技术途径，在自适应光学技术中的相位模拟、自由空间光通信等光电工程设计中发挥了重要作用。目前，对海洋湍流中的光传播与成像、新兴光电工程的大气影响、特殊结构光束的大气传播的研究也借助于湍流模拟装置。为了充分发挥实验室湍流模拟装置的优势，本文深入分析了实验室人工湍流模拟装置的性能及其局限性。实验室内产生的人工湍流无疑可以用于探索一种随机介质对光传播影响的定性甚至半定量规律。但必须注意到：有限空间内产生的湍流只有在远离边界的较小空间内才具备均匀各向同性的特性，采用各向同性湍流统计理论分析湍流模拟装置中的全路径光传播效应是不严谨的。如果以此类装置研究光传播的定量规律，必须首先根据光电应用场景设计具有光学相似性的模拟装置，然后清楚了解湍流装置内的湍流特性的空间结构，并据此开展理论分析。

采用功率谱反演法与叠加低频谐波方式数值模拟静态湍流相位屏，并根据湍流冻结理论仿真了动态湍流相位屏。采用液晶空间光调制器(LC-SLM)在实验室内搭建了大气湍流信道仿真平台，进行了Kolmogorov湍流模型下，不同湍流强度的激光大气传输模拟研究，对比分析了实验结果，与理论较为符合。同时实验研究了不同模拟湍流强度下激光通信误码率的响应关系，这对实验室内评估实际激光通信系统的性能具有重要应用价值。

偏振成像探测技术针对复杂环境中识别探测目标具有明显的优势和广阔的应用前景，偏振大气信道环境下的传输特性尤为重要。采用平行平板间对流形式研制了大气湍流模拟装置，在此基础上，结合激光发射及偏振参数检测装置，对湍流环境中激光偏振传输特性的变化规律进行实验研究，结果表明线偏振光经过大气传输后会出现较明显的退偏现象，而圆偏振光则表现为较弱的退偏现象，且可很好的保持原有旋向继续传输，另外，强湍流比弱湍流对偏振传输影响大。该结果验证了圆偏振光在大气信道中传输保偏性能好。

为评价对流式湍流模拟装置的性能，验证所模拟湍流的稳定性，提高湍流模拟器装置的可信度，从区域稳定性、频谱稳定性以及不同波长条件下大气相干长度的变化情况3 个方面进行了详细的检测与分析。在不同位置选取21 个点进行独立测量，对模拟装置的光强闪烁与角起伏区域稳定性进行了检测与评价。采用532、808、1064、1550 nm4 种波长激光器与检测装置，以大气相干长度作为检测指标对模拟装置所模拟湍流的大气相干长度随波长的变化情况进行了检测。最后，对测量数据的强度起伏与角起伏进行了频谱分析以评价模拟装置的频谱稳定性。实验结果表明：对流式湍流模拟装置在16 cm×16 cm 区域内的波动量小于15%，不同波长条件下相干长度满足Kolmogrov 理论，频谱波动量小于20%，对大气湍流进行了高精度、高可靠性、高稳定性的模拟。该研究内容为对流式湍流模拟装置的使用提供了有效的依据。

热风对流式大气湍流模拟装置作为一种主要的大气湍流模拟手段有着广泛的应用,其所模拟的大气湍流与真实大气湍流相比在频谱特性与概率密度特性上的一致性一直鲜有人研究.采用同样的发射与测试设备分别在1、6 km真实大气链路与室内模拟装置内进行了长期的测量,并对其频谱特性和概率密度分布特性做了详细的分析.实验结果表明,对流式大气湍流模拟装置所模拟大气对于光强闪烁效应的模拟在频谱特性和概率密度分布特性上均与真实的大气相符.对于到达角起伏效应的模拟,在y 轴方向上,频谱特性与概率密度特性均与真实大气相符；但在x 轴方向上,由于模拟装置缺少横向侧风产生装置,频谱特性与概率密度特性均与真实大气有区别,概率密度分布无明显规律.

利用一个高速多单元哈特曼传感器对旋转相位屏模拟大气湍流的空间特性和时间特性进行了研究.空间特性方面,计算了湍流的大气相干长度和波面的相位空间结构函数,对比了波前的Zernike 系数方差分布.时间特性方面,测量了模拟湍流的Greenwood 频率和时间功率谱,并提出了一种新的计算时间常数的方法——残差均方值法.结果表明旋转相位屏模拟的大气湍流符合Kolmogorov 湍流统计理论.

热风对流式大气湍流模拟作为一种主要的大气湍流模拟手段已被广泛的应用，能很好地模拟大气湍流对激光光束造成的光强闪烁、相位起伏、到达角起伏、光束扩展和光束漂移等影响。采用532、808、1064、1550 nm激光发射接收以及测量装置对热风对流式大气湍流模拟装置所模拟大气湍流的相干长度、等效大气折射率常数、光强闪烁等效距离以及光强闪烁与到达角起伏的频谱特性和概率密度分布特性进行了标定。实验结果表明：大气模拟装置所模拟大气湍流的相干长度范围为5~20 cm，等效湍流链路长度为1 km时，大气湍流模拟装置所能模拟的C2n最大值为1.81×10-16；模拟链路距离为10 km时，大气湍流模拟装置所能模拟最大C2n值为1.81×10-15，光强闪烁等效距离为661.2 m。所模拟大气湍流光强闪烁效应与到达角起伏效应的频谱特性与概率分布特性与实际大气湍流相近。综上所述，热风对流式大气湍流模拟装置所模拟大气湍流与真实大气环境比较接近。

傅里叶望远术是一种能对深空暗弱目标进行高分辨率成像的技术.为了验证大气湍流对傅里叶望远镜系统的影响，进行了实验室环境下大气湍流模拟实验研究.在三束光傅里叶望远镜实验系统上，通过控制射频驱动器的输出功率来模拟光强抖动，改变射频驱动器的瞬时频率来模拟相位抖动.给出了实验理论依据，推导了湍流强度与实验变量的关系.实验在弱湍流闪烁和相位抖动两种情况下，分别给单束光和三束光加随机扰动并计算其Strehl比.结果表明，只在单束光上加扰动时重建图像影响不大;在三束光上加扰动时，弱湍流光强抖动对傅里叶望远镜系统的成像效果影响具有较大的随机性，而相位抖动会严重影响系统成像质量.因此，消除光强抖动和相位抖动影响是图像重建算法改进应该考虑的一个关键因素.

利用泰曼格林干涉系统，对纯相位液晶空间光调制器在808nm的相位调制特性进行了研究.为了提高其在大气湍流模拟时的仿真度，采用近似法和反插值法对相位调制曲线完成了线性校正，并对校正结果进行了对比分析.结果表明，虽然近似法校正简单易行，但经反插值法校正后，相位调制曲线的线性相关度更高，可达0.9916，校正误差更低，仅为0.06rad.通过对校正方法和误差来源的分析发现，反插值法还具有优化灵活的特点，能进一步改善校正效果，更具应用价值.