随着当前科技和社会经济的迅速发展,全球对资源日益膨胀的需求使得陆地上的资源已然无法满足这一现实,人类对海洋资源的探索和研究开始日益频繁。相较于传统的海洋声波通信,水下无线光通信可以实现信道容量高,低延迟,高保密等通信优点,能够满足人类构建远距离、高速大数据的安全水下传感与通信网络的需求。特别是当水下无线光通信系统的信息载体使用携带轨道角动量的涡旋光束时,能够具有更高的信道容量和更安全的保密能力。然而涡旋光束的螺旋相位结构在海洋湍流中传播时极易受到湍流扰动,引起传输信号强度波动、光束漂移、扩展、抖动等衰减效应,使水下无线光通信的通信质量降低。因此研究脉冲型涡旋光束和海洋湍流的相互作用效应,提升涡旋脉冲光束抗湍流扰动能力,是优化基于涡旋脉冲光束的水下无线光通信系统性能的一项十分关键的研究课题。论文的主要创新工作如下:1.新型涡旋脉冲光束涡旋X波和局域Lommel-Gaussian涡旋光束引入到水下无线光通信系统的研究。研究水下无线光通信系统中新型涡旋脉冲光束与海洋湍流之间的相互作用,根据涡旋X波和局域Lommel-Gaussian涡旋光束对应的光场函数以及海洋湍流折射率起伏功率谱,通过Rytov近似推导得到了关联函数,从而建立了在海洋湍流中的新型涡旋脉冲光束的传播模型,推进了对涡旋X波和局域Lommel-Gaussian涡旋光束的研究。2.研究湍流对涡旋X波和局域Lommel-Gaussian涡旋光束在海洋中传播时湍流的扰动作用。通过新型涡旋脉冲光束的关联函数得到了涡旋X波和局域Lommel-Gaussian涡旋光束的概率密度解析表达式,并建立了在海洋湍流中涡旋X波和局域Lommel-Gaussian涡旋光束相应的传输探测概率和信道容量模型,研究湍流海洋和光源参数对相应信道容量的影响。3.不稳定分层和各向异性的一般海洋湍流对涡旋脉冲光束时间展宽影响的研究。理论和实验中表明,一般海洋湍流中存在由于风的混合和大气热交换形成的不稳定分层的湍流层。同时,由于地球周期性旋转的影响,一般海洋湍流是各向异性的。将各向异性和不稳定分层引入到涡旋脉冲光束在一般海洋湍流中传播的时间展宽研究中。利用Rytov近似和时间矩方法,建立了涡旋脉冲光束在一般海洋湍流中传播的时间展宽模型。涡旋脉冲光束在稳定分层的海洋湍流中传播的时间展宽变化情况与在不稳定分层海洋湍流的时间展宽变化有着显著差异。综上所述,本论文的主要目标为研究涡旋脉冲光束在海洋湍流信道中的传播特性。通过建立涡旋脉冲光束在海洋湍流中的关联函数,进而利用概率密度,探测概率,信道容量和时间展宽等传输特性分析海洋湍流及光源参数对基于涡旋脉冲光束的水下无线光通信系统性能的影响,为涡旋脉冲光束在海洋湍流中的传播研究提供了一定的参考价值。