自由空间光通信一般指以激光为载波、大气为传输介质的长距离光无线通信，常用于卫星通信、无人机通信、应急通信等应用。相比无线射频通信，其具有带宽高、保密性强、部署成本低、无需频谱牌照等优点。但是，激光在大气中的传播容易受大气湍流和天气状况的影响，造成接收信号功率衰落和信号畸变，使系统的通信性能下降。为了够抵抗此类干扰的技术，一方面可以通过编码等技术提高通信冗余度和可靠性，另一方面可以提高接收机的接收灵敏度。本文将从大气湍流出发，总结出自由空间通信信道模型，针对高速率、高灵敏度接收机，相继对基于数字信号处理技术的相干接收机、单光电探测器相干接收机和多孔径接收机进行讨论和实验。　　本文首先对湍流的物理机制进行了介绍，并给出了重要的参数和结论。其次，分析了高级调制格式光信号在空间激光传输的各个环节引入的信号畸变，并总结了大气信道模型，包括损耗、衰落现象以及其相干性，得到在高速光通信系统中，大气湍流信道可以视为慢变、频率非选择信道的重要结论。　　在大气信道的基础上，本文对相干光通信系统和数字信号处理技术组成和原理进行了介绍，并总结了自由空间相干光通信系统的信道模型。文中逐一介绍了时钟恢复、信道均衡、频偏估计、相位噪声估计数字信号处理技术，并通过实验结果展示了数字信号处理技术在自由空间相干光通信系统的有效性。　　最后，本文提出了一种低成本、低复杂度、高速率、高灵敏度、和商用零差混频相干接收机相当性能的单光电探测器相干接收机。文中首先总结了自由空间光通信系统中可用的分集技术，并指出多孔径接收机能够在保持发射功率不变的情况下，不增加发射机复杂度，提升通信系统在大气衰落信道中的性能。然后针对基于Kramers-Kronig关系的单光电探测器相干接收机进行了详细的研究。最后，实验实现了1×2单光电探测器阵列相干接收机。在误码率为0.01的时候，接收灵敏度达到了-47.5dBm，即8.4dB PPB，展示了其高灵敏度探测的巨大潜力。