湍流大气折射率的随机起伏干扰并导致传输光波的波前和振幅的随机起伏,从而产生一系列严重影响传输光束的光束质量和工作在大气环境下诸如激光雷达、激光通信等光学系统性能的湍流效应,而描述大气湍流的折射率起伏的模型是许多湍流效应解析理论建立和实验数据分析的基础。 本文首先在湍流大气对传播光波的调制为大尺度湍涡形成的光束随机抖动对小尺度湍涡散射产生的光强起伏的乘性再调制、大尺度湍涡与小尺度湍涡相互统计独立地调制传输光波和aytov展开近似方法在双尺调制模型下直至强起伏大气区依然成立的三个近似假定基础上,建立了包含大气湍流内、外尺度效应的简化折射率谱密度函数。基于此湍谱,我们研究了湍流内、外尺度对大气中传播相干和高斯谢尔光束大气光闪烁孔径平滑作用,指出大气湍涡内外尺度、检测孔径尺度和光源波长都是影响闪烁孔径平滑的重要因素。同时指出,在弱湍流起伏环境下,湍流外尺度降低了高斯谢尔束的闪烁孔径平滑作用。分析了有限湍流内、外尺度对湍流大气中成像系统光学分辨率和Fried相干参数的影响,指出对于大孔径成像系统而言,湍流外尺度是影响成像系统积分分辨率的一个重要因子、有限大气湍流外尺度“增大”了Fried大气相干直径。 其次,本文研究了湍流大气中传输高斯谢尔光束的位相起伏规律,得出包含湍流外尺度影响的高斯谢尔光束的波结构函数(WSF)解析理论关系和像面到达角起伏方差。从理论上证明了光源的随机起伏程度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的位相起伏结构函数和成像光束的到达角起伏的重要因素。 最后,本文在Rytov近似和通过引入短期平均位错的概念,理论上研究了平滑高斯谢尔双光束和奇异高斯双光束叠加干涉场的奇异特性和位错类型与传输光波束型间关系。建立了两类波束的波前位错位置的短期平均理论关系。指出同轴平行和交叉高斯谢尔光束干涉所产生的光束波前位错受大气湍流强度、传输距离等参数调制的规律是不同的。同时指出束径不同共轴(或束径相同准直非共轴)传输奇异双光束干涉形成刃(或圆)位错,叠加场的短期刃(或圆)位错是大气湍流强度、传播距离、振幅比、位错位置和束径(或束径比)的函数。