湍流大气中的激光传输问题一直以来都是光通信、成像以及遥感等领域的重要基础课题。海上大气湍流功率谱受海水湿度的影响比陆地大气湍流功率谱更为特殊,海上大气光通信系统需要考虑到存在多个自由度的舰船运动,其信道建模相当复杂。截至目前,陆地大气光通信虽然已经开展了较为深入的研究,但海上大气光通信研究还处于初步阶段,多个自由度的舰船运动规律的统计以及其对海上大气光通信链路性能的影响分析在实际工程应用过程中都备受关注。论文主要围绕着大气湍流信道中激光光束的传输特性分析以及海上大气光通信系统的链路性能评估等两个方面展开了详细研究。具体工作主要如下:首先,研究了激光光束在斜程链路湍流大气信道中的传输特性。从经典大气湍流理论出发,考虑到海上大气环境差异以及高波数条件下存在的波数跃变现象,应用non-Kolmogorov修正大气湍流功率谱模型,更加精确地描述了海上大气湍流信道中激光光束的变化规律。通过推导得到激光在斜程大气湍流信道中的传输特性统计矩,计算了光束扩展、光束漂移、到达角起伏以及相位起伏等重要传输特性表达式,进而分析在不同大气湍流信道中大气湍流尺度、天顶角以及大气折射率结构常数等参数对激光大气传输特性的影响。结果表明:激光在大气湍流信道上行链路中传输效应明显强于下行链路;激光传输效应随着传输距离、外尺度和折射率结构常数的增加而增强;湍流内、外尺度对激光传输效应的影响存在明显差异。其次,在Gamma-Gamma分布的海上大气湍流信道中,考虑大气衰减、大气湍流以及指向误差(船舶运动)的综合影响,建立了海上大气光通信系统的信道模型,推导了其中断概率数学表达式。根据海浪的平稳性和各态历经性,得到浪高概率密度函数,进而修正得到舰船的运动功率谱。通过舰船运动功率谱,可以计算得到舰船横摇和升沉两个维度的运动均值和方差。在此基础上,分析海上不同的船型、航行角、舰船速度和风速对舰船运动的影响规律,在考虑舰船运动所引起的指向误差的条件下评估海上大气光通信系统性能。结果表明:海上风速、湍流强度以及大气能见度的影响明显强于船型、航行角和航速,显著制约着海上大气光通信系统链路性能。最后,在考虑了孔径平滑的Log-Normal分布海上大气湍流信道中,考虑调制方式对海上大气光通信系统链路性能的影响。以M-PPM调制和M-PSK调制为例,对海上大气光通信系统模型进行改进和修正,建立了海上大气信道链路评估模型,推导了系统平均误码率数学表达式。分析了海浪起伏、调制级、接收器孔径、湍流强度以及大气能见度等因素对海上大气光通信的系统平均误码率的影响规律。结果表明:在良好天气条件下增大接收器孔径可有效降低海上大气光通信系统的误码率,降低M-PSK调制模式调制级或增大M-PPM调制模式调制级可以降低通信系统误码率,但在恶劣环境下对大气光通信系统链路性能影响较小。