光波在大气湍流中传播时,湍流效应会引起光波的振幅和相位随机变化,进而导致光强闪烁、光束漂移和到达角起伏等现象,从而给大气光传输等应用带来很大的影响。目前,常采用多层随机相位屏模型来研究大气湍流的光传输规律,对于大气湍流强度均匀的光传输路径,其模型常采用等间隔分布的相位屏。如果传输路径上大气湍流强度不均匀,仍采用相位屏等间隔分布形式,这将会使模型精度降低。同时,设置过多的相位屏将会使相应的数值计算更为复杂和耗时。因此,本论文主要是针对于非均匀湍流路径下大气分层特性进行研究,为相位屏位置分布提供系统性的数学模型,以期解决在非均匀湍流路径下相位屏数目和位置设置的主观性问题。首先本文针对非均匀湍流路径上光束传输的应用场景,在多层随机相位屏模型的基础上,建立了针对不同天顶角的多层相位屏的位置分布模型,推导出了相位屏位置分布的优化条件,并由此给出相应的迭代算法。同时,在选定的Hufnagel-Valley5/7和Hefei-day这两个典型的大气湍流廓线模型下,分别详细地计算了相应的大气离散分层边界与相位屏的最佳分布位置。其次,为了验证了相位屏位置分布优化条件及迭代算法可行性和有效性,结合两层相位屏的光传输仿真算例,对比分析了其相位结构函数和光强起伏概率密度分布的理论与仿真值。在所关注的高频和低频区域,数值模拟产生的相位结构函数值与理论值偏离程度相对不大。为了充分利用实验数据,且不对实验数据分布附加任何假定,采用了核密度估计的方法研究光强起伏的分布特征,在弱起伏条件下,虽然核密度估计出的光强起伏概率分布与理论分布有一定的差异,但整体分布趋势呈现出一致的对数正态分布。最后,引入了两层相位屏的最大Rytov判据,并根据等菲涅耳数原则,在Hufnagel-Valley5/7大气湍流廓线模型下,计算了具体光束传输缩比实验参数,对比分析了相位结构函数和光强起伏概率密度分布的理论与实验值。其所测得的相位结构函数的实验曲线与理论曲线虽然存在一定的偏差,但其趋势整体保持一致,且近似服从5/3幂律规律。此外,光强起伏概率实验拟合分布与理论分布所反映的光强起伏方差相对误差分别为6.38%,2.23%,3.94%,15.17%,36.42%,21.36%,33.55%,虽然个别方案设置引起的误差相对偏大,但整体分布趋势都呈现出一致的对数正态分布形式,且光强起伏的经验累积分布实验与理论曲线趋势保持一致,说明概率密度分布曲线拟合程度较好。