为了研究涡旋光束在湍流大气中的传输特性, 根据广义的惠更斯-菲涅耳原理, 采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法, 对贝塞尔-高斯光束在大气湍流中的传输过程进行了理论分析和数值仿真; 采用次谐波补偿法产生随机相位屏来模拟大气湍流, 解决了大气湍流模拟时存在低频成分不足的问题。结果表明, 除了湍流强度外, 传输距离、拓扑荷数、激光波长等也成为影响贝塞尔-高斯涡旋光束质量的主要因素; 湍流越强, 光束的环形光强越弱, 相位畸变越严重, 光强起伏越明显, 且逐渐退化为普通高斯光束; 随着传输距离的增加, 涡旋光束扩散现象明显, 最终退化为普通高斯光束; 波长越长, 则涡旋光束抑制湍流能力越强, 环形光强越强, 相位畸变程度会得到逐步改善; 拓扑荷数越小, 涡旋光束会最先退化为普通高斯光束, 相位畸变程度越弱。该结果对于研究涡旋光束在自由空间光通信中的传输是有帮助的。

太赫兹波的大气传输特性对于太赫兹的空间应用有重要意义。采用随机相位屏法研究了太赫兹波在湍流大气中的水平传输特性。在忽略大气对太赫兹波的吸收与散射、仅考虑大气折射率随机起伏的前提下，通过改变传输距离等参数，对太赫兹波经过湍流大气传输后接收面上的平均光强分布和闪烁指数等进行了研究。作为对比，在同等大气湍流条件下，对可见光波也进行了相应的数值模拟与分析。研究结果表明，同等条件下，太赫兹波受大气湍流的影响明显小于可见光波；大气湍流对太赫兹波的短程应用影响较小。

为了有效抑制激光大气传输过程中引起的闪烁效应, 本文围绕照明光束相干性与闪烁指数关系展开研究。首先, 明确闪烁效应产生机理, 建立与光束相干性相关的数学模型。然后, 采用偏振分光元件将出射激光分为4束, 并破坏其相干性。在此基础上, 以随机相位屏为核心元件构建大气湍流仿真实验装置, 评估不同光束相干性条件下的远场光斑闪烁指数。实验结果表明, 4束光照明的光斑闪烁指数比单光束照明降低了75%。理论分析及实验结果均证明了多束部分相干光在抑制光强闪烁效应方面的有效性。

数值模拟研究大气湍流的核心问题是构造准确且计算量小的大气湍流相位屏，以正确反映折射率的变化特性。根据大气湍流统计特性，采用分形方法数值模拟了方形大气湍流相位屏。对模拟结果进行统计分析，并与结构函数理论值对比，得到符合Kolmogorov统计规律的大气湍流相位分布。以此为基础，分析了分形法模拟大气湍流相位屏的性能。结果表明，分形法生成的方形相位屏在统计特性上与理论值基本吻合，从低频、中频到高频部分，由于分形迭代次数的增加，误差累加，相位屏模拟误差增大。随着相位屏采样点数量的增加，相位屏的模拟精度降低，同时所需模拟的相位屏数量增加。随着相位屏数量的增加，不同强度的大气湍流相位屏模拟精度趋于相似。

为了分析高斯光束的大气传输特性，根据随机相位屏数值仿真方法，利用Rytov弱起伏理论，在薄相位屏模型的基础上，详细分析了各个统计量。建立了基于Kolmogorov谱条件下的高斯光束经任意厚度相位屏传输统计量的数学模型，并且给出了易于处理的解析表达式。同时对闪烁指数、Rytov方差等统计量进行了分析，结果表明任意厚度相位屏模型比薄相位屏适用范围更广，且对于统计量的描述更为准确。

为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响，对湍流扰动的仿真进行了分析。介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。阐述了快速傅里叶变换(FFT)和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法，并且对比了两种方法的优劣。利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统，介绍了其理论模型并进行了仿真实验，对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。结果显示，室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。

为了减少非等晕性对望远成像系统性能的影响, 扩大系统的有效视场, 对宽视场望远成像系统的非等晕性进行了研究。首先采用多层相位屏法实现了非等晕成像的数值模拟, 然后利用数值模拟系统计算了典型大气条件下(大气相干长度 r0 = 0.1 m)轴中心点与偏离轴 θ角度目标点两者间的畸变波前均方差值, 分析了系统口径 D分别为 1 m、2 m和 4 m 对应畸变波前均方差值随偏离角度 θ的变化情况。分析结果表明, 畸变波前有倾斜项时, 系统口径 D越大, 畸变波前均方差值随角度 θ的增加上升得越慢, 非等晕性的影响越小; 去掉倾斜畸变时, 系统口径 D越大, 畸变波前均方差值随角度 θ的增加上升得越快, 非等晕性的影响越严重。倾斜非等晕性随系统口径的增加而减少, 对大口径的望远成像系统(D≥5 m)主要考虑高阶波前畸变对成像的影响。

为研究大气湍流对合成孔径激光雷达(SAL)的成像影响,采用谱反演法对符合Kolmogorov谱的大气随机相位屏进行了数值模拟,给出了单层及多层叠加的随机相位屏图像;然后以多层随机相位屏叠加方式模拟实际大气湍流,计算了无湍流、弱湍流、中等湍流和强湍流等情况下理想机载单站聚束式SAL对点目标以及扩展目标的成像,模拟成像表明大气湍流对SAL成像的方位分辨率有严重影响,湍流越强,图像方位向分辨率越差;针对湍流造成的SAL图像方位向分辨率降低,采用相位梯度自聚焦(PGA)算法对SAL图像进行了方位向补偿,结果有效地改善了图像的聚焦效果,提高了成像质量。

合成孔径成像激光雷达是一种新的主动式有源的成像系统,可以获得比合成孔径雷达更高的分辨率,和更接近光学图片的效果。首先,在理想条件下分析了调频连续波的信号模型,推导出在连续波系统聚束模式下一种适用于机载合成孔径成像激光雷达系统的频率变标算法。然后,使用傅里叶变换法对符合von Karman谱的随机相位屏模拟大气湍流,并分析了Fried参量和合成孔径长度之间的关系。最后,仿真说明真空中采用方位预处理可以消除图像重影,并且补偿多普勒频移项可以消除8.6～9.3 dB的能量损失和使图像散焦的现象。而在有大气影响时,合成孔径长度的选择小于Fried参量时,图像方位向可以良好聚焦。

从高功率激光系统中随机相位屏的统计模型出发,分析了其相位噪声及梯度的一阶和二阶统计性质.研究了完全相干光与部分相干光通过随机相位屏后的传输性质,推导得出部分相干光在经过随机相位屏后,其交叉谱密度的期望等于随机相位屏透过率函数的期望与入射光交叉谱密度的乘积.对该模型下的远场分布进行了数值模拟.结果显示,能量对称分布的完全相干光通过相位干屏后,只有通过随机相位屏透过率函数期望的远场分布是对称的;部分相干光在传输通过随机相位屏后,其谢尔模光束性质不会改变,但光强分布不再具有对称性,且强度明显降低.