水下光场分布对水下光电成像质量具有决定性的影响，通过水下光场分布可以得到水下图像的传输退化模型。在给定水体光学参数的前提下，建立光子水下传输概率模型，利用Monte Carlo法模拟光子在水下的运动，可以获得水下光子散射点体积密度分布，求解出水下光场；在水体体散射函数为球形对称的条件下，利用Monte Carlo法得到的水下光场分布与理论公式的计算结果具有很好的一致性，验证了该方法的有效性；最后给出了水下理想点光源形成的水下光场分布。基于此结论，可以将Monte Carlo法求解水下光场的应用范围推广至水体体散射函数为一般表达式的情形。

水体对光线的散射是水下图像质量劣化的重要因素，为了定量分析在特定光源照射下水体散射的影响，建立了光线水下传输的散射模型，以此为基础推导出求解水下光场分布的Fredholm积分方程。在水中光线能量随距离的增大呈指数规律衰减，基于此，在水体体散射函数为常数的情况下，给出了有边界条件时该积分方程的数值迭代求解方法，得到高精度的水下光场分布。以太阳、均匀亮度天空、水下点光源以及空中点光源为例，分别给出了水面平静时的水下光场的计算结果。该求解方法可推广应用于任意光源配置、任意边界条件下的水下光场分布，为严格推导水体点扩展函数及调制传递函数奠定了基础。

在水下透过波浪对海面及空中目标成像，所获取的目标图像会发生畸变。为定量分析波浪对图像畸变的影响，建立一种理想的水下对空成像模型，得到透过波浪的全景图像。首先，在给定的成像模型下，运用主光线反向追迹法，由斯涅耳定律计算出与水下入射光线对应的水上折射光线的方向矢量，从而得到天球上目标点与成像靶面上单像素点的物像对应关系。然后，对整个成像靶面上的像素点进行遍历，形成水下对空全景图像。最后，在4种特殊的海面波浪波形下，利用MATLAB环境计算出天空圆形目标及背景的水下对空全景图像。计算结果表明：运用反向追迹法能够有效地计算出水下对空全景图像，通过调整波浪参数，可以定量分析图像的畸变程度。主光线反向追迹法适用于分析透过具有一阶可导波浪的水下对空全景图像的畸变特征，为研究更复杂波浪下的水下对空图像畸变特征奠定了基础。