由于探测技术的缺乏, 人类对海洋的了解还非常有限。海洋光学是研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律 和运用光学技术探测海洋的科学。海洋光学相关技术以光电子学测量方法为基础, 借助激光技术、近代光学信息 处理、卫星遥感等高技术手段, 是深入认识与了解海洋光学性质的重要工具, 也是促进海洋科学发展的重要推动 力之一, 现已成为各国关注和研究的热点。

现场光谱观测是水色遥感真实性检验的基础。 传统基于航次站位观测获取的水体光谱数据少, 难以满足快速变化的近岸水体遥感产品真实性检验的需求。 为此, 国际上开始发展水体光谱连续观测系统, 但目前近岸水体光谱连续观测系统仍较少, 特别是在高浊度、 高动态的水体。 针对该问题, 在杭州湾建立了一套基于海上塔台的高浑浊水体光谱高频观测系统。 该系统每3 min获取一次水体光谱数据, 实现与过境卫星观测时间的匹配。 本文重点开发了基于海上塔台特点的水体光谱高频观测数据的处理方法, 实现了晴空、 耀斑、 阴影、 弱光照等自动判别, 并对处理结果进行了检验。 结果表明, 塔台观测获得的归一化离水辐亮度光谱与船测结果具有较高的一致性, 相关系数大于0.99, 平均相对误差为9.96%。 此外, 对塔台水体高频观测系统的长期观测能力进行了评价, 结果表明, 尽管系统运行一年之久, 系统与便携式地物光谱仪ASD同步观测获得的水体归一化离水辐亮度在谱形和数值上一致性均较好, 相关系数大于0.90, 平均相对误差为6.48%。 同时, 利用系统高频观测的水体光谱可有效监测悬浮物浓度随潮汐的快速动态变化。 杭州湾塔台水体高频观测系统为进一步开展浑浊水体水色卫星遥感产品真实性检验提供了丰富的现场光谱数据, 特别是高时间分辨率的静止轨道水色卫星遥感产品的真实性检验。

针对商业化的走航水体高光谱观测系统SAS(Surface Acquisition Systems)，提出了在走航观测的复杂条件下，针对关键角度的计算、水气界面反射系数的估算和异常数据剔除等问题，开发出实用的数据处理方法，并利用现场数据进行了检验.结果表明，SAS走航观测获得的离水辐亮度与站点测量结果具有很好的一致性，且与同步走航水体浊度的变化趋势一致，具有较好的可靠性.

根据Mie散射理论，以对数正态分布函数描述沙尘气溶胶粒子群的粒径尺度分布，计算了沙尘气溶胶粒子群在0.2~40 μm波段间对太阳短波辐射和地球大气长波辐射的单次散射反照率、散射相矩阵函数，揭示了不同相对湿度时，沙尘粒子群对入射辐射的散射和偏振的特征。结果表明，沙尘粒子群的单次散射反照率随着入射波长的增加有较大起伏，不同相对湿度条件下，变化趋势基本一致；在可见光、近红外波段单次散射反照率随湿度增加而变大，湿度95%时非常接近于1；大于10 μm的热红外波段单次散射反照率随相对湿度增加而减小，具有较强的吸收辐射能力。散射辐射强度受湿度影响较小，随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势，且增大的趋势随着波长的增加而减弱；不同波段上，线偏振和圆偏振随散射角和相对湿度变化存在差异；在前向和后向仅对入射辐射为圆偏振辐射产生圆偏振散射；散射光的偏振特性及其湿度差异主要表现在后向散射区，多以拱形形式体现。拱顶峰值散射角位置存在差异，且峰值散射角随相对湿度的降低向后向漂移。

为实现海上沙尘的全天时自动监测，分析了大量MTSAT卫星观测数据，表明海上沙尘样本区在11 μm和12 μm的热红外亮温差为负，可见光反射率一般高于晴空海面而低于云区，11 μm通道的亮温高于云区而低于晴空海区；同时运用Libradtran辐射传输程序包模拟不同水汽含量和不同下垫面温度时沙尘区热红外通道亮温差，表明在水汽含量相对较高的海面，沙尘区热红外通道亮温差仍为负值，这一特性可作为海上沙尘识别的重要指标。在沙尘辐射特性分析和模拟的基础上，通过红外亮温差判断，在白天结合可见光通道的反射率与3 pixel×3 pixel标准偏差；在夜间利用上一时相的沙尘区设定亮温阈值，提出一种简单有效的海上沙尘全天时自动监测算法。以2008年3月1~2日、2010年3月19~21日两次沙尘过程的MTSAT卫星数据为例进行我国海上沙尘的监测试验，结果表明，利用该算法能够有效提取出海上沙尘区的分布范围，客观反映沙尘的运移过程，监测结果利于反演沙尘气溶胶光学厚度、估算海上沙尘沉降通量等问题。

详细导出了粗糙海面的反射矩阵、透射矩阵和源函数矢量计算模型,并应用于海洋大气耦合矢量辐射传输数值计算模型PCOART。在此基础上,分别利用粗糙海面瑞利大气矢量辐射传输问题和海洋大气耦合辐射传输问题对粗糙海面模型进行了验证,结果表明,模型计算得到的粗糙海面大气瑞利散射斯托克斯矢量是精确的,且瑞利散射辐亮度计算相对误差小于0.5%。粗糙海面海洋大气耦合辐射传输问题验证结果表明该粗糙海面计算模型是精确的。相对已有的标量粗糙海面海洋大气耦合辐射传输模型,该模型不仅可以获得整个海洋大气耦合系统的辐亮度场,而且可以获得辐射斯托克斯矢量场。

辐射偏振校正对具有相对较大偏振响应的海洋水色卫星遥感器(如Aqua MODIS)是十分必要的,可在一定程度上提高海洋水色信息提取的精度.目前, MODIS已经实现了业务化的辐射偏振校正,但其算法中忽略了气溶胶散射对大气顶辐射偏振分量的影响.利用海洋-大气耦合矢量辐射传输模型PCOART,分别模拟获得纯瑞利大气(无气溶胶)和气溶胶光学厚度为0.2大气时的大气顶辐射偏振分量.结果表明,除太阳耀斑区外,气溶胶散射对蓝光波段(443 nm)大气顶线偏振辐亮度的贡献很小,可以忽略不计,而对近红外波段(865 nm)大气顶线偏振辐亮度的贡献显著.此外,将PCOART数值模拟的大气顶瑞利散射辐射线偏振反射率与POLDER实际观测的大气顶线偏振反射率进行了比较,结果同样说明了气溶胶散射对蓝光波段(443 nm)大气顶线偏振反射率的贡献很小,而对近红外波段(865 nm).大气顶线偏振反射率的贡献显著.最后,在现有MODIS辐射偏振校正算法基础上,提出了考虑气溶胶散射的海洋水色卫星遥感辐射偏振校正算法,并利用POLDER实测的大气顶线偏振反射率对算法进行了检验,结果表明,无论是在443 nm波段,还是在865 nm波段,均比MODIS辐射偏振校正算法估算大气顶辐射偏振分量更接近POLDER实测结果.

为实现海雾的卫星自动监测, 利用大量AVHRR3/NOAA17卫星观测数据, 比较不同目标物(海雾区、不同云系及晴空下垫面)在可见光、近红外波段的反射辐射特性差异, 统计分析了海雾的遥感光学辐射特性。结果表明,海雾区三通道反射率满足RCh1>RCh3a>RCh2, 甚至出现RCh3a>RCh1>RCh2, 不同于其它目标物(RCh1>RCh2>RCh3a)。运用Streamer辐射传输模式模拟了海雾、不同云系在卫星高度处的三通道反射率特性, 从理论上进一步验证了海雾所具有的光学辐射特性, 同时指出, Ch3a的反射率对粒子粒径的响应明显, 即粒子粒径越小, Ch3a的反射率越高。通过米氏散射理论对这一现象进行原因分析。

海洋水色水温扫描仪(COCTS)是中国海洋水色系列卫星上的主遥感器,主要用于探测我国及全球部分海域的海洋水色和水温环境信息。大气漫射透射比计算是COCTS大气校正的必需过程,直接影响COCTS大气校正和水色信息反演的精度。提出了基于加倍法解大气海洋耦合矢量辐射传输方程的大气漫射透射比精确计算方法,通过与SeaWiFS精确大气漫射透射比查找表计算结果的比较,结果表明计算相对误差小于1.5%,而当观测天顶角小于60°时,计算相对误差小于0.5%,可以用来生成COCTS的精确大气漫射透射比查找表。在此基础上,生成了专门针对COCTS的精确大气漫射透射比查找表。

瑞利散射计算精度对海洋水色遥感大气校正的精度起着关键作用，为了提高瑞利散射的计算精度，需要求解平行分层大气矢量辐射传输方程。详细地推导了加倍法解大气矢量辐射传输方程的基本关系式，并阐述了利用加倍法解矢量辐射传输方程的原理。通过与海视宽视场遥感器(SeaWiFS)精确瑞利散射查找表计算结果的比较，证明利用加倍法计算瑞利散射的精度优于0.5%，完全能够满足海洋水色遥感大气校正对瑞利散射计算精度的要求，并可以用来生成海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射查找表。最后，利用开发的加倍法解矢量辐射传输方程软件包，生成了海洋水色及水温扫描仪的精确瑞利散射查找表。开发的加倍法解矢量辐射传输方程软件包可直接用于我国第二代高性能海洋水色遥感器精确瑞利散射查找表的生成。