雾霾天气下拍摄的图像, 由于大气中混浊悬浮物对光的吸收和散射的影响, 导致“透光”强度减弱, 图像能见度严重降低, 许多特征被覆盖或模糊, 限制和影响了可见光视觉系统工作效用的发挥。研究针对低能见度天气下, 可见光视觉系统工作受限的现实, 从雾天图像退化模型出发, 通过发掘颜色分布与透射率两者之间的约束关系构建透射率求解方程。之后, 通过对大气光值在线更新和马尔可夫随机场模型, 实现对大气光及透射率的时空连续性约束, 解决复杂场景以及天气条件下可见光视觉系统工作的适应性与稳健性问题。实验结果表明, 所提算法可以有效地提高低能见度条件下的成像距离, 视频图像去雾后忠于原始图片颜色分布, 无色彩失真, 可为后续高级视觉任务提供良好的图像基础。

利用激光雷达探测水云微物理特性时, 雷达回波信号中会出现退偏振信息, 这是由激光与云层的多次散射造成的, 利用这些退偏振信息可以反演云层特性。利用半解析蒙特卡罗方法研究了波长为0.532 ?滋m激光雷达后向散射退偏振比对云底高度、云滴大小以及消光系数的敏感性。计算结果表明, 对于相同的接收视场角, 激光雷达与云层的距离越远, 退偏振比越高; 消光系数越大, 退偏振比越大; 雷达接收视场角越大, 被接收器捕获的多次散射信息越多, 因此退偏振比越大。当穿透深度较小时, 云滴尺寸较小的云层退偏比更高, 随着穿透深度的增加, 云滴尺寸更大的云层退偏振比更大。

基于矢量辐射传输理论，利用矩阵算法研究了海洋-大气耦合系统中，海雾气溶胶对太阳光的偏振散射特性。整个大气层垂直方向分为若干平面平行层，考虑了大气分子、云层以及气溶胶的垂直分布；海洋表面按照风驱随机粗糙海面进行了分析，考虑了海洋波斜率分布和遮蔽效应；海洋体也由若干平面平行层构成，考虑了海水以及叶绿素的吸收和散射影响。大气和海洋体每层的反射矩阵和透射矩阵以及源函数由离散坐标方法计算，整个海-气系统的散射特性由矩阵方法通过耦合层与层之间相互辐射得到。研究了整个海-气系统反射的太阳辐射以及偏振度对太阳光的波长、入射天顶角、观测角度、海洋表面风速、云和气溶胶的光学厚度，以及气体吸收等的敏感性。计算结果表明，多波长多角度偏振度信息随海洋表面和大气环境变化敏感，可以结合辐射强度和偏振度对海洋背景下气溶胶特性进行遥感反演。

利用激光雷达探测水云的光学和微物理特性时，水云的多次散射会在雷达回波中产生去极化信号，给出了半解析蒙特卡罗方法模拟偏振激光雷达后向散射去极化率的详细过程，给出了0.532 μm 激光作为光源入射时，典型水云的后向散射Muller矩阵二维分布图，以及水平线偏振、垂直线偏振、+45°线偏振和右旋圆偏振光入射时，后向散射的Stokes矢量的二维分布图，最后给出了去极化率和极化率随激光雷达接收视场角以及穿透深度的变化。从数据结果可以看出，接收视场角越大，多次散射的影响越大。给出的蒙特卡罗模拟方法对利用激光雷达遥感反演水云和球形气溶胶的特性具有重要的应用价值。

利用蒙特卡罗方法研究了二氧化硅粉尘层对无限窄准直光束的反射和透射特性，根据Mie理论计算了单次散射相函数,并利用其对光子散射方向进行了抽样，分析了消光系数和粒子尺寸对粉尘层反射和透射特性的影响，对于浓度较大的粉尘层，激光在传输过程中，其光斑的大小和形状将对散射特性产生影响，将无限窄准直光束入射情况下的散射函数作为脉冲响应，与有形激光光束进行卷积，得到有形激光束入射情况下的多次散射特性，研究了高斯形和圆盘形两种激光光束入射时，光斑形状和大小对散射特性的影响。

利用T矩阵方法研究了表面吸附有随机分布小颗粒的光学微球腔的光学特性,通过计算其散射效率和不对称因子分析了吸附小颗粒的数量、尺寸对微球腔形貌共振(Morphology-Dependent Resonances,MDR)廓线的影响;利用分离变量法研究了具有均匀吸附膜(同心双层球)微球腔的光学特性,分析了吸附膜的厚度对谐振廓线的影响。结果表明,附着于微球腔表面的小颗粒以及均匀吸附层,都将对整个微球腔的形貌共振产生影响,并使光学微球腔的品质因数降低,甚至不产生回音壁模。

利用蒙特卡罗方法模拟了多层离散随机介质对激光的偏振多次散射，结合激光雷达的特点，给出了半解析蒙特卡罗模拟方法的具体模拟步骤，考虑了光子在随机游走时，跨越分界层时引起的自由程调整，根据Mie 散射相函数对不同介质层进行了散射方向抽样，利用该方法计算了双层和三层水云的雷达多次散射去极化率随穿透深度的变化。从计算结果可以看出，随着穿透深度的增加，雷达去极化率增强，激光在从一种介质入射到另一种介质时，其去极化率增加的速度不同，分析了粒子有效半径、单次散射相函数以及消光系数对雷达去极化率的影响。该方法可以应用于偏振激光雷达对非各向同性云层或气溶胶微物理和光学特性的遥感反演。