随着陆地资源不断地枯竭,人类对于海洋资源探索以及海洋军事研究工作的日益频繁。构建远距离、大数据、高速、保密的海洋通信与传感网络是全世界急待解决的问题。与海洋电磁波通信和声波通信对比,海洋无线光通信具有频带宽、信息容量大、数据传输速率快、延迟低、保密性好、能耗低等优点。特别当以携带轨道角动量涡旋光束作为信号载体的海洋无线光通信系统具有更高的信道容量、频谱效率和保密性。此外,在不产生热晕的前提下,采用高功率超短脉冲涡旋光波作为信号载波能够缓解海水信道中的消光损失。然而,海水湍流也能够引起信号光波的强度起伏、束径扩展和束心抖动等效应,从而降低海洋无线光通信系统的通信质量。因此,研究连续型或脉冲型涡旋光波在海水湍流中的传输特性,是优化海洋无线光通信系统性能的一项必要的基础性研究工作。为此,本论文针对上述问题进行了如下的创新研究工作:1.新型海水湍流折射率功率谱的建立。通过引入尺度有限的海水湍流外尺度因子,我们建立了适用于在不稳定分层情况下从低空间波数区到高空间波数区的新海水湍流折射率功率谱。新谱模拟结果也被证明与实验数据更加一致。新谱不仅消除了稳定分层假设的误差,而且解决了在零空间波数区域出现奇点问题和在低空间波数区域背离实验结果的困境。考虑到存在各向异性的海水湍流情况,我们进一步将新海水湍流折射率功率谱推广为非对称海水湍流折射率功率谱。2.海水湍流干扰光波传输机理的研究。基于Rytov近似原理,建立了高斯谢尔量子光束在各向异性弱海水湍流中的孔径平均量子偏振度模型,得出合理的设置接收孔径,能够控制海水湍流对于高斯谢尔量子光束的干扰作用的结果。此外,基于新海水湍流折射率功率谱,导出了高斯光波的闪烁指数的解析表达式,得出在稳定分层假设情况下,以盐度起伏主导的海水湍流低估了盐度扩散对闪烁指数的影响,以温度起伏主导的海水湍流高估了盐度扩散对闪烁指数的影响;有限的外尺度能够显著降低高斯光波的离轴闪烁指数等重要结论。最后,导出了高斯光波传输在包含外尺度的海水湍流中的空间相干半径和波结构函数的解析表达式,并建立了海水湍流中的指向误差解析数学模型和具有指向误差的信道容量模型。研究了海水湍流参数和光源参数分别对指向误差和信道容量的影响。3.海水湍流中厄米高斯涡旋光束传输模型的建立。基于角谱理论,首先提出了均匀介质中的新型厄米高斯涡旋光束,然后建立了各向异性海水湍流中厄米高斯涡旋光束携带轨道角动量态接收概率密度模型,得出在远距离通信情况下厄米高斯涡旋光束比拉盖尔高斯涡旋光束具有更强抗海水湍流干扰的能力,各向异性海水湍流对于轨道角动量态的信号接收概率干扰弱于各向同性海水湍流的影响。4.各向异性海水湍流中高斯涡旋脉冲X光波携带轨道角动量态的接收概率模型的建立。通过发展涡旋脉冲光波的双频互相干函数,研究了海水湍流和高斯涡旋脉冲X光源参数对轨道角动量态的接收信号概率和脉冲展宽的影响,得出携带大的初始半脉冲宽度、大的初始束腰半径和小的贝塞尔锥角的高斯涡旋脉冲X光波具有较强的抵抗海水湍流干扰能力。另外,携带小的轨道角动量量子数的高斯涡旋脉冲X光波能够获得大的轨道角动量态信号接收概率和带宽,从而实现高信息容量的海洋通信等结论。5.超短拉盖尔高斯涡旋脉冲光束的特殊相干函数的解析表达式的导出和轨道角动量态接收概率分布模型建立。基于拉盖尔函数和时谐函数正交特性,发展了脉冲轨道角动量态的特征函数,然后建立了超短拉盖尔高斯涡旋脉冲光束携带轨道角动量态的接收概率分布模型,得出较大的传输距离与较小的轨道角动量量子数导致较小的脉冲延迟,涡旋脉冲光束传输在温度起伏为主的浅海中比盐度起伏为主的深海中具有更好的传输性能等结论。6.非对称海水湍流中Lommel-Gaussian涡旋脉冲光波携带轨道角动量态的接收概率模型的建立。运用贝塞尔函数的加权正交特性和脉冲型轨道角动量态的特征函数建立方法,导出在弱海水湍流条件下包含湍流外尺度和非对称因子的时空波的复相位扰动解析表达式,并由此建立Lommel-Gaussian涡旋脉冲光波通过非对称海水湍流的轨道角动量态的接收概率模型。此模型表明携带较大轨道角动量量子数的Lommel-Gaussian涡旋脉冲光束具有良好的抗海水湍流干扰特性和实现较大的信息容量通信。