针对激光雷达探测中复杂目标姿态获取困难、目标与光斑真实耦合情况难获取等问题，提出了一种基于GPU编程的激光束照射复杂目标图像实时生成新方法。基于现代图形硬件的GPU编程技术和帧缓存对象特性，该算法以每个平面光源矩阵为观察者，在光源空间坐标系中渲染当前场景并将渲染结果记录到内存纹理中，然后在世界坐标中将光源观察到的结果复原和映射到模型上，可以实现实时映射渲染。采用深度缓存原理、纹理映射原理和OSG文件读写插件，即可正确获取模型每个三角面片顶点上的光源辐照度、顶点位置及面片法线等信息。经测试，该算法普适性强、能够读取多种格式三维文件，适应于均匀或非均匀面光源，对系统图形硬件的要求很低，能够满足两个面光源准实时性计算需求，可以准实时得到模型被照射面片所属部件、被照射三角面片顶点、法线信息以及三角面片顶点接收到的辐照强度值。该算法可为激光照明、识别探测等提供参考和依据。

高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素，介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型，分析了影响热效应的主要因素，并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件，重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律，指出吸收率主要影响热像差的大小，而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体，指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素，细致研究了热像差随时间的变化规律，介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块，搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型，通过光-热-力-控多物理耦合仿真，研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应，给出了激光传输远场光斑特征，表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。

叶片氮含量极大程度上影响植被生物化学过程, 有重要的研究意义。 利用机载高光谱数据反演叶片氮含量在农业遥感领域有广泛应用, 但其反演精度不能完全满足精细农业的需要, 有一定提升空间。 叶片氮含量遥感反演精度受机理误差和算法误差的影响, 机理误差主要来源于叶片表面反射。 传感器探测到的反射辐射既包含叶片内部多次散射, 又包含叶片表面镜面反射部分, 只有前者是携带叶片内部生化组分(如氮含量)信息的, 由于后者是入射光在叶表蜡质层发生的直接反射, 因此该部分并不携带叶片内部信息。 根据菲涅尔定律, 叶表镜面反射是部分偏振的, 而内部散射是非偏振的, 因而通过偏振反射建模可部分去除叶表镜面反射影响, 以消除机理误差。 算法误差主要来源于不同氮含量反演算法对于高光谱数据挖掘能力的差别。 比较了偏最小二乘法、 主成分回归、 支持向量机、 K-近邻算法和随机森林回归在高光谱叶片氮含量反演中的表现, 在调整算法参数之后, 选择使用随机森林回归算法以减少高光谱反演算法误差。 以常绿针叶林、 落叶阔叶林和针阔混交林为研究对象, 利用多角度偏振卫星POLDER/PARASOL的多光谱数据库构建二向偏振反射模型, 用以模拟和分析研究区森林的偏振反射率; 从HySpex传感器系统获取的机载高光谱数据中去除偏振反射率带来的光谱机理误差, 以实现叶片氮含量的精确反演。 以均方根误差为主要指标评估精度变化可获得以下结论: 在高光谱叶片氮含量反演中, 消除偏振反射率带来的机理误差后, 各算法反演精度均有提升, 平均提升了4.244%。 其中, 随机森林回归可以最大程度减小反演算法误差(可决系数达到0.803, 均方根误差达到0.252), 且对光谱偏振信息最为敏感, 去除偏振后精度提高了13.103%。 相比于广泛使用的偏最小二乘算法, 去除光谱机理误差并减小反演算法误差后, 叶片氮含量反演精度整体提高了32.440%。 该研究实现了基于机载高光谱数据的叶片氮含量精确反演, 证明了在叶片氮含量反演中去除偏振反射率的必要性, 体现了在高光谱氮含量反演中随机森林算法的应用潜力。