随着通信市场的繁荣发展,针对个人用户和企业集群的互联网和多媒体服务持续增加。这使得当前网络业务量呈指数式增长,并且其增长速度已远远超过了摩尔定律的预测值。粗略估算,数据传输速率大概每隔五年将会提高十倍,而整个网络的业务总量将在未来十年内增加一百倍。由于带宽的限制,当前的射频通信(RF)已无法承载这种数据业务量的爆炸式增长。因此,无线光通信(WOC)引起了广泛的关注,并逐渐成为通信领域的研究热点。无线光通信是以光波作为载波,在自由空间(此处自由空间代表空气、水、外层空间、真空、或者其它类似的传输介质)中传递信息的一项通信技术。与射频通信系统相比,WOC系统具有很多优点,比如数据传输速率高、安全性好、便携性强、易于扩展等。鉴于这些优良特性,WOC在多个不同方面拥有巨大的应用潜力,无论是解决现有的“最后一英里”接入网络问题,还是利用窄激光束实现高速远距离的数据通信。WOC可用在大规模的数据交换中心,校园和企业局域网,空对地通信,潜舰通信等场合。更重要的是,WOC系统的应用不需要政府的频率授权许可,不受周围的电磁干扰(EM)。因此,WOC可以作为一种射频通信和光纤通信的补充或者替代技术。然而,室外WOC链路的性能容易受到诸如大气、海洋,或者其它传输介质的影响。比如,大气信道是随时间不断变化的,难以预测并且易受天气条件的影响。雾、霾、雨、雪、冰雹等恶劣天气将会在很大程度上降低接收光功率,恶化链路性能并缩短链路的最大通信距离。由于低能见度天气条件的存在是不可避免的,因此室外WOC系统很难达到99.999%(即电信业务中常用的五九基准)的全年链路可用率。本文主要考虑大气和海洋作为传输介质的两种情形。光波在大气或者海洋中传播时主要受到三种因素影响,即吸收、散射和传播介质折射率的起伏(即光湍流)。吸收和散射主要是由大气中的气体分子和粉尘颗粒(或者海洋中的水生分子和悬浮物)引起的,并且与光波长密切相关。因而,吸收和散射的影响可以通过波长选择降到最小。光湍流是由传输介质折射率随机起伏造成的,从而导致光束扩展、光束漂移、光束到达角(AOA)波动和光强闪烁。光湍流引起的信号衰落将在很大程度上影响室外WOC的链路性能。即使是在晴空大气中,光湍流的影响依然存在。因此,研究光湍流对光束在大气或者海洋中传播时的影响很有必要。这将为我们寻找抑制光湍流引起的信号衰落的方法时提供参考。除了分集、孔径平均、自适应光学和前向纠错(FEC)之外,部分相干光束(PCB)也能有效抑制光湍流引起的信号衰落。因此,部分相干光束在无线光通信中存在巨大的应用潜力。然而,部分相干光束抑制光湍流引起的信号衰落是以牺牲接收光功率为代价的。因而,在特定的无线光通信系统中,在闪烁抑制和接收功率损耗之间进行权衡显得尤为必要。近年来,在无线光通信中带有相位奇点的激光束(即涡旋光束)也引起了人们的关注,通过复用涡旋光束可显著提高传输速率。在Gori等人建立了设计空间相关函数所必需的充分条件之后,许多不同类型的非传统的部分相干光束(其谱相干度不是传统的高斯分布)被提出,例如多高斯谢尔模型(MGSM)光束,贝塞尔高斯谢尔模型(BGSM)光束和余弦高斯谢尔模型(CGSM)光束,其中部分光束可用于未来的部分相干光通信系统。非传统的部分相干光束同样可以扩展为其对应的涡旋光束,例如多高斯谢尔模型涡旋(MGSMV)光束。本论文主要研究非传统的部分相干光束及其涡旋光束在大气或者海洋中传播时的统计特性,了解光源和湍流的参数对接收端光束质量的具体影响。另外,在弱湍流条件下,本文分析了采用发送分集的无线光通信系统中的信道相关性。总的来说,本文获得的一些理论结果将有助于对今后的部分相干光通信系统设计。最后,本文的主要研究工作总结如下:基于广义惠更斯-菲涅尔(Huygens-Fresnel)原理,维格纳分布函数(WDF)的二阶统计矩及适用于非柯尔莫戈洛夫湍流的广义空间功率谱,本文推导得到贝塞尔高斯谢尔模型(BGSM)光束在大气湍流中传播时互谱密度、平均光强、谱相干度、有效曲率半径和传播因子的闭合解析表达式。通过一系列典型的数值实例,本文研究了BGSM光束在非柯尔莫戈洛夫湍流中传播时的演变特性,并详细讨论了非柯尔莫戈洛夫湍流谱中的参数(如:广义折射率结构常数,外尺度,内尺度和谱指数)对BGSM光束传播特性的影响。数值结果表明采用BGSM光束作为光源并选取合适的光束参数可以显著降低光湍流所造成的信号衰落。基于广义惠更斯-菲涅尔原理,旁轴近似和相干理论,本文推导得到在拓扑电荷l=±1时多高斯谢尔模型涡旋(MGSMV)光束在湍流介质中传播时互谱密度、平均光强、均方光束宽度、角扩展的闭合解析表达式。此外,本文还推导出了海洋湍流空间功率谱的三阶原点矩的闭合表达式。基于非柯尔莫戈洛夫湍流功率谱和海洋湍流功率谱并利用一系列典型的数值实例,本文分别定量分析了平均光强、均方光束宽度和相干涡旋在大气湍流和在海洋湍流中的演变特性,详细讨论了在大气或者海洋湍流中光束参数和湍流参数对MGSMV光束质量的具体影响,并重点分析了MGSMV光束指数和湍流起伏强度对拓扑电荷守恒距离的影响。基于Rytov理论,光束等效方法和von K(?)rm(?)n空间功率谱,本文在ABCD光学系统中研究了采用发射分集的WOC系统在弱湍流条件下的信道相关特性,其中WOC系统的发射光束采用的是部分相干的高斯准直光束。通过一系列典型的数值实例,本文详细讨论了源相干半径,发射光束间隔距离,接收器孔径大小和光波长对该系统信道相关性的具体影响。结果表明与完全相干光束相比,部分相干光束可以进一步降低信道相关性。然而,通过破坏源光束的相干特性来降低信道相关性的效果并不是特别显著。