复杂信道是光信号传输以及信息检测过程中不可避免的,特别是在光通信和生物医学成像等应用方面,因此研究信道对于光信号传输特性以及光学路径上信息检测的影响是有重要意义的,也是当前的热点。当激光在复杂信道如大气和海水等中传输时,光波波前会随着距离的增加逐渐发生畸变,光波的强度起伏也越来越大,光斑逐渐破裂,这对于光信号传输是非常不利的,而这种不利影响可以通过部分相干光源或者对光源进行调制来弥补。关联成像是一种非局域成像技术,通过光场的强度关联计算来实现光学路径上的目标信息重构,同时在探测光弱到光子量级情况下依然可以重建目标的分布,这显示了关联成像技术在信息检测方面的重大潜力,特别是在弱信号测量情况下。然而在复杂信道的影响下,关联成像的成像质量会降低,甚至可能会无法对信息实现检测,而厘清复杂信道的影响规律对发展关联成像信息检测在遥感、生物医学成像和通信等领域应用是有潜在价值的。本文着眼于复杂信道下的光信号传输和信息检测方面的研究,详细探讨了复杂信道对其影响的规律,主要工作概括如下:1.优化了湍流等效应影响下的光传输基本模型以及无透镜关联成像系统的基本理论。首先,基于扩展的菲涅尔衍射积分方法给出了光束传输特性的统计形式,这种方法能够很好地反映光束传输后的统计平均结果。然而在实际情况下,常常需要得到光束的瞬时状态,这里详细介绍了基于傍轴激光传输方程的理论与计算模型,在该模型中,湍流等复杂信道的影响被认为是相位干扰,在计算中结合相位扰动采用分步傅里叶方法对该方程进行数值模拟,同时也采用相干光束针对该算法进行了传输模拟验证。其次,基于经典光学理论对关联成像的过程进行了研究,当光源与参考探测器的距离等于光源与目标物体的距离时,关联成像可以实现对目标的重构;同时根据该传输算法,研究了关联成像系统中的传输特性及其规律,主要讨论了传输距离的问题,包括两臂等长和两臂不等长时的成像情况,随着成像距离和失配量的增大,目标的重构分辨率逐渐降低,以上现象主要是因为赝热光的散斑颗粒尺寸随着传输距离的增加或减小而逐渐增大或减小的缘故,该规律是符合衍射理论的。2.得到了湍流效应和气流效应对于光信号传输特性的影响规律,同时基于激光传输模型详细分析了湍流对于图像编码通信的影响。首先,分析了大气湍流对于光束传输过程中的光强分布、强度起伏以及漂移情况,随着湍流强度的逐渐增大,光斑状态从完整到开始弥散,最终破裂,同时光束的峰值强度逐渐增大,而且漂移量也逐渐增加。其次,分析了部分相干光在海水湍流影响下的演化规律,对于贝塞尔、拉盖尔和余弦调制的高斯谢尔模型光束,以及部分相干光学格子,获得了光束质量的衡量因子,当海水的盐度起伏相比较于温度起伏导致的湍流占主导作用时,光束的质量下降很快,而经过调制之后的部分相干光,其光束质量会变好,并且随着调制指数的增加,这种趋势会更加明显;通过对比三种调制的高斯谢尔模型光束,找出了光束质量受海水湍流影响最小的谱相干度调制。此外,基于激光传输方程建立了湍流效应影响下的图像编码通信模型,给出了图像的编解码过程,分析了大气信道的影响规律。最后,基于多相位屏法建立了近场气流环境下的光传输模型,随着风速的增加,光束的漂移量逐渐增大,这一结果也通过风洞实验进行了验证,说明了模型的可靠性,而后将结果扩展到高风速环境,并与同等情况下的湍流干扰作了对比,发现气流的影响更为明显。3.建立了光纤信道中的时间关联成像模型以及基于关联成像机制的信息检测和图像传输系统模型。首先基于光纤中的脉冲传输模型建立了关联成像的基本模型,对传输距离、色散以及待检测脉冲形式进行了分析,当传输距离逐渐增大时,待检测脉冲波形的分辨率会逐渐降低,而增加三阶色散对于关联成像的目标重建结果影响不大,同时选用了方波、余弦波、锯齿波和三角波四种不同的待检测信号,发现关联成像均能够很好地实现对以上四种波形的检测。其次,基于光纤信道中的关联成像建立了图像通信的过程,给出了基于关联成像机制的图像编解码过程,并对该过程进行了数值模拟,发现当成像的采样次数增加时,图像传输的质量越好,甚至可以无损传输;通过关联成像的特性,分析了探测光信息和噪声对于图像传输稳定性的影响,同时基于物臂探测信息和参考光信息分析了图像传输的安全性,物臂每次只得到一个数据,通过多次测量得到一个矩阵,而每个像素对应的矩阵的统计分布是类似的,就算攻击者得到这些数据依然无法通过统计分析出明文或者密钥,并且参考光可以事先共享,攻击者在没有参考光数据的情况下是无法恢复出明文的,只能靠猜测,而猜测所需要的时间是非常巨大的,所以利用关联成像来进行图像的传输是安全的。4.得到了湍流和气流效应对于关联成像信息检测的影响,发现了信道的影响规律。在大气湍流的扰动下,随着传输距离或者大气结构折射率常数的增加,目标的成像质量逐渐降低,而在近距离情况下,即使湍流强度达到强湍流状态,对目标成像的结果干扰很小,同时目标重构的结果对于湍流内尺度的改变更加敏感。相比较于大气环境,海水湍流的影响更加剧烈,在百米量级的成像距离处,关联成像结果受到显著的影响,目标的分辨率逐渐降低,当海水盐度波动造成的湍流占主导作用时,目标甚至难以分辨。最后分析了近场风速导致的气流效应对于关联成像目标检测的影响,主要分析了风速和距离的影响,当风速和距离逐渐增加时,目标的成像质量降低,同时只有当风速接近马赫量级,目标的分辨率才会有明显的影响,而在近距离时,风速对于小目标的检测结果影响更加明显。