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由于具有高容量、低能耗和高安全性等优势，自由空间相干激光通信近些年越来越受到重视，高码率星间相干激光通信也已经获得了巨大成功，欧洲已经开展了自由空间激光通信的商用推广，然而在星地相干激光通信方面一直进展艰难，这主要是来源于大气湍流扰动对相干激光通信系统的影响。 本文首先介绍了自由空间激光通信的应用背景和技术发展，并介绍了国内外具有代表性的星地激光通信系统，对系统的组成和原理进行了介绍，然后分析了星地相干通信面临的问题和挑战。讨论了大气湍流的成因以及其对星地相干激光通信系统产生影响的几个方面，并分别对光强闪烁、光束漂移、到达角起伏、波前畸变等问题提出了解决方案。针对大气湍流引起的波前畸变问题，研究了自适应光学波前校正的方法。介绍了自适应光学系统的构成和波前重建、校正原理和方法，对自适应光学系统的参数设计进行了介绍。理论分析了不同湍流强度和天顶角下自适应光学系统的带宽对相干接收机混频效率的影响，提出了二阶控制系统提出了校正带宽不足引起的时延波前误差的计算模型。讨论了低轨卫星和同步卫星对地激光通信链路对自适应光学系统带宽的不同需求。理论分析了星地相干激光通信中，大气湍流引起的信号光强度和相位起伏。在不同天顶角和不同闪烁强度下，利用Gamma-Gamma数学模型分析了光强闪烁对通信系统误码率的影响，讨论了孔径平均效应在抑制光强闪烁上的作用，提出了无自适应光学系统校正情况下最佳的接收望远镜口径。理论验证了在不同D/r0、闪烁系数和Greenwood频率下，自适应光学波前校正可以明显改善相干通信系统误码率。利用自行设计的自适应光学系统进行了实验室环境下的波前校正实验，波前校正剩余残差小于λ/7，随着Greenwood频率的增加，波前残差的抖动量明显增大。在城市环境下搭建了1.2km激光收发链路，开展了水平大气激光链路的自适应光学校正实验。经过系统校正后，光斑的Strehl Ratio可以从～0.15提高至～0.6，波面剩余残差降低至λ/7以下。研究了不同的自适应光学系统校正带宽对光斑Strehl Ratio的影响。开展了城市环境下1.2km和高海拔20km的水平大气链路相干激光通信实验，研究了实际大气环境对DPSK相干激光通信系统的影响，验证了自适应光学系统对补偿大气波前扰动的有效性，并对星地相干激光通信接收终端提出优化设计方案。