大气透明度和大气湍流是空气质量预报、气候环境模式、光传播和光通信等方面的重要气象因子。对于大气透明度来说,直观的反映是大气能见度,它既是交通运输领域中关系到安全保障的气象要素,也是环境监测领域里体现大气污染程度的重要特征量;同样地,大气湍流的扰动会破坏光的相干性,造成光学图像模糊,是天文观测中的难题。它们通常由常规仪器单独测量,然而,由于气溶胶(与能见度密切相关)与湍流之间的相互作用,使得独立测量这两个参数会对各自的测量精度产生较大的影响。为了研究这个问题,克服现有分立测量科学仪器的不足,论文研制了一种大气能见度和湍流强度同步测量光学系统(AVTOM),通过透射法实现大气能见度和湍流强度联合测量。具体工作如下:(1)将大气辐射传输理论和光在随机介质中的波动理论结合起来,突破大气能见度和湍流强度的同步测量难题,实现反映大气透明度的参数大气能见度和反映大气湍流强度的大气折射率结构常数的同步测量;(2)提出了同步测量光学系统原理样机的总体设计方案,分别针对系统的光学发射单元、光学接收单元、仪器控制单元和数据接收单元进行了设计,包括应用ZEMAX软件对系统的准直镜头进行了设计和仿真,应用SOLIDWORKS软件设计了系统的外形结构等;(3)分析了系统的软件需求,完成了数据采集软件的设计和编写,并且提出了针对系统数据采集的波峰数据筛选算法;(4)提出了一种半自动定标方法,分析了测量误差。并于2017年7月在南京大学仙林校区通过与其他两种常规仪器(OWIOSI-430能见度仪和CAST3A三维超声风速仪)的比较验证了测量结果。AVTOM与这两台仪器测量结果的偏差分别与4.7%和3.5%,测量结果基本一致。通过同步测量,进一步证明了两者在不同天气或气溶胶负荷下的显著变化,这可能与气溶胶-湍流相互作用有关。论文设计并研制成功的测量大气能见度及湍流强度的地基同步光学系统,对于大气环境监测、空气质量预报、辐射气候和环境效应研究具有重要意义。