为了提高沙尘暴中红外系统的精度, 应用电磁波在离散随机介质中传播的多重散射理论, 分析红外波在沙尘暴中传播时的后向散射增强机理, 给出了沙尘暴单位体积的粒子数随能见度变化的关系式, 对于可见到远红外波, 研究其在不同能见度的沙尘暴中传播时的多重散射效应引起的后向散射增强。结果表明对于不同波长的波, 其后向散射增强不同。沙尘暴的能见度越低, 后向散射增强越显著。不同类型的沙尘暴, 粒子尺度分布不同; 在一定能见度时, 单位体积中粒子数越多的沙尘暴, 后向散射增强越大; 在一定的粒子数密度时, 含大粒子数越多的沙尘暴, 后向散射增强越显著, 尤其是波长较长波的后向散射增强更明显。即, 沙尘暴的能见度越低, 单位体积中的粒子数越多, 包含较大粒子数目较多时, 后向散射和增强就越显著,则对红外系统的影响就越严重。

分析粗糙表面双向反射分布函数的测量方法，提出一种使用人工神经网络技术建立目标表面材料双向反射分布函数模型的方法。给出测量样品多个入射角度下的BRDF随散射角变化的曲线，从中选取部分曲线输入到神经网络，使用贝叶斯正则化方法训练网络，最终获取双向反射分布函数和入射角、散射角的映射关系模型。使用网络模型计算参与训练和未参与训练的输入角度的散射分布曲线，与实验测量曲线进行比较，结果表明：建立的模型正确，具有应用价值。

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU－R湍流大气结构常数模型，将水平均匀湍流介质情况下成立的修正Rytov方法扩展到斜程传输问题上，建立了激光高斯波束波从弱湍流区到强湍流区斜程路径考虑湍流内尺度和外尺度的闪烁指数统一模型，在大气结构常数为一定值时可退化到水平传输情况。数值计算分析了1．06 μm、1．315 μm、3．8 μm和10．6 μm等典型波长的波束闪烁特性，结果表明波长较短时，内尺度影响较大，且内尺度效应对闪烁的影响要大于外尺度效应，但在强起伏情况下，外尺度的影响也变得较为显著。

根据光脉冲在离散随机介质中的传输理论,应用米氏理论和蒙特卡罗方法,研究了不同能见度情况下1.06 μm脉冲激光在沙尘暴中的传输特性。得到了双频互相关函数的幅度和相位随相干带宽、脉冲时域展宽和延时随能见度的关系。结果表明,脉冲的展宽和时延随沙尘暴能见度的变化非常显著。当能见度为3～5 km时,多重散射对脉冲双频互相关函数、脉冲展宽和延时的影响已较明显。当能见度小于1 km时,对于1 ns的输入脉冲,其展宽大于10 ns,延时大于15 ns。因此,当沙尘暴的能见度较低时,必须考虑多重散射对激光脉冲频域及时域特性的影响。

在外场用已知半球反射率的靶板作为标准靶板,反演测定目标靶板激光雷达散射截面和半球反射率。由于受到随机变化的大气衰减和激光器输出能量等因素的影响,靶板角分布曲线与朗伯余弦曲线会有一定偏差,因此,采用双光路测量法来确定各个测量时刻的大气衰减系数和激光器输出能量,然后,再与半球反射率已知的标准靶板比较,计算得到目标靶板的激光雷达散射截面。实验测得的目标靶板反射率为24.9%,与实际标定值25.3%的相对误差为1.6%,满足10%的外场精度要求。通过实验测量的结果分析表明利用双光路方法对目标靶板与标准靶板进行测量,较好地消除了各个时刻的大气衰减和激光器照射能量对测量结果的影响。

复杂环境中激光传输和散射特性是目标与环境光散射特性研究的基础。主要讨论了激光信号在沙尘中的传输衰减特性。根据Mie理论研究了具有一定粒径分布沙尘粒子对于激光信号的单次散射衰减特性,给出了不同分层沙尘粒子的平均散射截面、粒子平均反照率、平均不对称因子和平均相函数。利用四通量法和蒙特卡罗法研究了激光在分层沙尘大气中的多重散射和斜程传输衰减特性,并给出它们与能见度及高度的变化关系。最后,在考虑多重散射时,分别用以上两种方法数值计算了1.06 μm激光在斜程沙尘大气中的衰减率,并与单次散射结果进行了比较。结果表明,能见度较低时,不考虑多重散射效应会带来较大的误差;在斜程沙尘大气激光传输时,随分层数增加,数值结果就越精确。