大气湍流中折射率的随机起伏称为大气光学湍流，它所导致的一系列光传播效应，如光束漂移、扩展、光强闪烁、相位起伏等，是制约天文观测、光学遥感成像、自由空间光通信以及激光大气传输等先进光电工程性能发挥的重要因素。研究大气光学湍流及其特征参量的时空变化规律，无论对于光电工程的实际应用还是对标量湍流理论的发展均有显著意义。　　本文首先简要回顾了大气光学湍流的若干重要概念并概述了光学湍流观测技术的发展历程。在此基础上，提出并实现了一种可用于光学湍流微结构探测的高精度光纤湍流传感系统。文中详细阐述了该系统的技术原理、软硬件实现过程及其性能测试结果以及利用该系统进行湍流空间特性研究的原理和方法。最后，运用该系统对近海面和近地面的大气光学湍流进行了大量的实验观测，并给出了统计分析结果。论文的主要研究成果总结如下:　　论文研究的主要内容包括:　　1.在系统研制方面:详细分析了光纤干涉测量技术中用于克服环境影响的相位载波调制解调技术原理;提出了分布反馈式(DFB)半导体激光器电流频率调制率的测量方法;给出了透射式和反射式光纤湍流传感器的结构原理，并进行了分析和比较;实现了用于解调大气湍流随机相位的相关解调算法和基于Hilbert变换的相位解调算法，并编写了集自动控制、数据采集、信号解调、显示与存储功能为一体的应用程序。测试结果表明，该系统的频率响应达1000Hz及以上，本底噪声在10-18量级，并且传感器能够在海洋腐蚀性环境下长期工作。　　2.在实验观测方面:利用高精度光纤湍流传感系统在厦门海面、茂名海岸和合肥气象观测场开展了近海面与近地面大气光学湍流的实验观测，并与传统的温度脉动仪进行了同步对比观测，获得了不同下垫面和不同高度下光学湍流强度的日变化特征及其差别。对比结果表明，光纤湍流传感系统与温度脉动仪在空气湿度较大特别是雾天情况下对光学湍流强度的观测结果有显著差异，体现出两者对空气湿度的敏感性不同。　　3.在光学湍流时空特性研究方面:对茂名海岸和合肥气象观测场草坪上方采集的光学湍流一维时间序列信号进行了功率谱分析，发现其功率谱大体可分为三个区间，即低频区、高频区和噪声区，根据上述特征，分别统计分析了低频区和高频区湍流谱幂指数的概率分布特性;根据功率谱谱线下降区的端点对应湍流内外尺度的原理，提出了通过提取湍流谱的端点估算湍流尺度的方法，并对两地全天的湍流内尺度进行了估算，给出了其差异性;然后利用光纤湍流传感器阵列的实测数据，分析了近地面折射率起伏方差σ2n与折射率结构常数C2n随空间距离的变化情况，结果表明σ2n与C2n成正比，其比例系数是湍流外尺度的函数，据此，提出了通过线性拟合log10 C2n与log10σ2n求湍流外尺度的方法，并给出了计算结果和比较分析结果;最后，利用一维传感器阵列，获得了不依赖泰勒“冻结”湍流假设的多尺度光学湍流空间相关函数、空间谱、空间结构函数以及外尺度等，并尝试通过高阶结构函数的标度指数探讨了光学湍流的间歇性。