采用功率谱反演法模拟了同轴叠加产生的双拉盖尔-高斯涡旋光束（Double Laguerre-Gaussian Vortex Beam，DLGVB）在海洋湍流中传输时的光强和相位分布，仿真分析了DLGVB光束在不同海洋湍流参数下的闪烁指数以及在基于开关键控调制的水下光通信系统中的通信误码率。结果表明，随着湍流动能耗散率的减小，盐度温度波动平衡参数、温度方差耗散率及传输距离的增加，闪烁指数逐渐增加；随着湍流动能耗散率以及拓扑电荷差值的增加，误码率减小。在海洋湍流环境下，使用DLGVB光束进行传输可以抑制海洋湍流带来的干扰，选择最佳的拓扑电荷差值，可以有效提高传输通信质量及通信系统容量。本文研究结果对涡旋光束及其叠加态在海洋湍流下传输特性研究及水下光通信系统持续扩容的发展需求方面具有重要的参考价值。

采用多层相屏法和快速傅里叶变换法数值求解热晕方程，研究了复合贝塞尔高斯（cBG）光束大气传输过程中受热晕效应的影响。研究发现：由于热晕效应造成的光强和相位畸变，cBG光束会发生相位奇点移动和轨道角动量谱展宽，并产生模式串扰。当风速较小时，大气介质吸收激光产生的热效应较强，导致光束的模式串扰也较强。对于初始角量子数差值较大的cBG光束，其相对串扰能量较小，受热晕效应影响导致的模式串扰较弱。此外，还研究了旋转cBG光束的热晕效应，该光束的旋转特性使其在传输过程中四周都能得到均匀的扩展。因此，相较于非旋转cBG光束，旋转cBG光束的光强分布比更均匀，模式串扰更小。并且，随着旋转cBG光束的径向波数差值的增大，模式串扰减弱。综上，增大初始角量子数差值以及径向波数差值可以有效降低cBG光束的模式串扰。

大气湍流引入的波前畸变导致相干合成涡旋光束质量劣化，需进行波前畸变校正。基于相干合成涡旋光束光场分布的角向不变性，通过像清晰度函数提取明暗干涉条纹区域的总光强，构建角向条纹对比度评价函数，将评价函数应用于随机并行梯度下降算法，可以实现单环以及双环阵列结构的相干合成涡旋光束波前畸变自适应校正。仿真实验结果表明，相较于光强相关系数等传统评价函数，以角向条纹对比度作为评价函数的随机并行梯度下降算法具有校正性能好、收敛速度快的优点。此外，单环和双环结构相干合成涡旋光束的波前校正结果均验证了角向条纹对比度作为相干合成涡旋光束评价函数的有效性及优势。

提出了一种基于数字全息理论结合主动风向随动和复杂可编程逻辑器件驱动的纳秒尺度脉宽的脉冲激光调制技术，利用全域数字图像融合和局部亮度梯度方差算法的地形云观测方法。在六盘山地形云野外科学试验基地开展了长期的连续观测以获得地形云微物理参数。与该基地内基于光散射原理的测量仪器及前向散射能见度仪的观测数据进行比对，发现虽然两者长时间观测结果的变化趋势具有良好的相关性，但在2~4 μm和7~50 μm的云滴粒子区间，数字全息测量方法具有更强的观测能力。本文方法可为提高对云降水物理过程的理论认识和参数化方案的开发奠定数据支持，也可为天气、气候、人工影响天气和大气化学等领域研究提供重要的技术支撑。

为了探索基于氧气A带吸收谱线利用多普勒差分干涉仪实现对流层大气风场探测的技术可行性，建立了从大气吸收谱线入瞳临边辐射到干涉曲线的仪器响应函数数理模型，仿真分析干涉仪光学参数、滤光片参数、系统噪声、仪器稳定性和标准具离轴效应等对视线风速反演结果的影响，确定光学系统参数的最优取值范围。结果表明，对中心波长位于769 nm的氧气吸收线，当干涉仪非对称量取值6.5~6.7 mm，光谱分辨率取值0.49~0.51 cm-1，带通滤光片半波带宽取值0.12~0.21 nm，标准具间距取值0.8~1.4 mm，精细度系数取值30~100，标准具离轴角小于0.2°，标准具透射峰偏移小于0.018 cm-1，干涉图信噪比大于40倍时，风速反演精度优于8 m/s，研究结果可为被动式对流层风场探测以及相关仪器设计提供理论参考。

近年来，我国海洋发展战略逐步兴起，水下成像技术在海洋工程、海洋资源开发及海洋环境保护等领域发挥日益重要的作用。同时，深度学习技术在图像处理领域获得广泛应用。本文在介绍深度学习基本概念的基础上，对其在水下成像技术中的最新应用研究进展进行了系统综述，针对深度学习在水下图像增强技术、水下图像复原技术、水下偏振成像技术、水下关联成像技术、水下光谱成像技术、水下压缩感知成像技术、水下激光成像技术及水下全息成像技术等典型水下成像场景中的应用特点及不足进行了分析对比，并对该技术的未来发展方向进行了展望。