自由空间激光通信技术兼具光通信系统的高带宽和无线技术的灵活性,对于实现深空探索、卫星导航、地球观测以及5G+蜂窝网络升级需求支撑等都有着十分重要的意义。所以自由空间激光通信中的关键技术研究是一个极具研究价值和工程应用价值的课题。本论文聚焦远距离和超远距离激光通信链路,对相干激光通信测距一体化算法以及大气湍流信道衰落建模等技术进行研究。主要研究内容与创新工作如下:首先,针对高动态的超远、远距离激光通信链路,本文应用了高灵敏度的相干探测机制,设计了基于数字信号处理的相干激光通信与测距一体化算法,并在MATLAB仿真和FPGA硬件实现中对该算法进行了验证。其中,重点研究了异步时钟下基于定时同步算法的测距方法;对于动态频率偏移量小且具有足够稳定性的异步时钟源,在Gbps通信速率下将测距结果的精度提高到了毫米级精度。另外,针对动态多普勒频移与激光器稳定性不足带来的高速波长偏移,本文提出了光电混合的反馈零差检测方案,并设计了三路并行FFT频偏估计算法。在Gbps通信速率下,该算法可处理接收机中高达300 MHz/s的动态波长偏移,且跟踪残差满足接收机中后续相位噪声的处理要求,大幅改善了接收机的性能。其次,针对星地或地面激光链路,大气湍流会大大降低接收信号的质量。本文给出了仿真湍流大气的折射和衍射特性的分步传播方法,采用菲涅尔积分表征衍射作用,随机相位屏模拟大气折射特性,仿真得到了不同湍流强度下接收平面光信号强度和相位的衰落情况。而后通过计算仿真中接收信号的统计相干因子,证得分步传播方法可以有效地仿真光束传播。另外,大气湍流随机相位屏用子谐波低频补偿傅里叶变换法生成,并通过相位结构函数验证得到仿真产生的随机相位屏统计特性与相应大气湍流理论相符。该分步模型的建立可以帮助在实验室条件下基于前人的数据采集和统计模型进行仿真,定量分析大气湍流,对于自由空间激光通信系统可靠性的评估十分重要。