单像素成像技术突破了传统成像中探测器与目标物体之间存在遮挡物无法成像的限制，具有系统简单、成本低廉、宽谱成像等优点，在成像领域迅速获得关注并得到逐步发展。然而，由于其使用无空间分辨率的单点探测器，完美成像需对场景进行与图像像素数量级相当的测量。因此，如何在保证一定成像质量的前提下，大幅度提升其成像速度，成为单像素成像技术走向应用的关键问题之一。为此提出了一种基于变换域自适应降采样的傅里叶单像素成像方法。该方法利用傅里叶变换频谱能量集中的特点，在频域合理规划采样路径；然后，沿规划路径测量谱系数，计算每段采样路径的谱系数方差，并在线进行曲线拟合，当曲线斜率达到人为设定的误差带（或趋近于0）时，采样测量自动停止；最后，对采样测量获得的谱系数矩阵实施傅里叶逆变换重建目标图像。提出方法大幅提高了成像效率。

为在较低成本下解决单像素成像速度问题, 从硬件和算法两个层面提出解决方案, 搭建软硬件协同的单像素成像体系。算法层面在 Hadamard 单像素成像中引入 DQN 算法, 提出 DQN-Hadamard 单像素成像, 获得对特定目标物体的相对最优采样顺序。硬件层面基于 LED 阵列的高速低成本基底图案投射方案, 选择 ARM 与 FPGA 特性结合的 ZYNQ 7020 作为主控, 搭建 ARM 与 FPGA 协同的 Hadamard 单像素成像系统。最后结合算法与硬件, 完成 DQN-Hadamard 单像素成像在 ARM 与 FPGA 协同的 Hadamard 单像素成像系统的移植, 并与自适应斜 Z 字形采样单像素成像做了详细比较。成像结果显示, 所提方案在 30% 的采样率下即可重建目标物体图像, 验证了低成本软硬件协同单像素成像的可行性。

光学三维成像在医学诊断、空间遥感、人工智能等领域具有广泛且重要的应用。然而，在散射环境中，入射光的波前相位会发生严重畸变，导致传统光学三维成像性能劣化，甚至失效。目前，研究透过散射介质成像大多使用的是昂贵的科研相机。为了降低成本，本团队提出了一种采用普通工业相机进行数据采集的透过散射介质的三维成像方法。针对普通工业相机采集的低信噪比图像，本文对代表成像系统点扩散函数的点光源散斑进行多次累加平均，获得了可与科研相机相媲美的高信噪比点扩散函数；然后，将该点扩散函数与单次曝光获得的结构光散斑进行反卷积运算，得到受物体面形调制的变形条纹；最后，基于傅里叶变换轮廓术恢复物体的三维信息。实验结果表明，该方法可以获得与科研相机相媲美的成像效果，为透过散射介质的三维成像提供了一种可行的低成本方案。

为指导和完善深度Q网络单像素成像，对不同正交变换深度Q网络单像素成像性能进行比较分析。提出了基于深度Q网络的离散余弦变换单像素成像和Krawtchouk矩变换单像素成像。采用结构相似度和峰值信噪比作为图像质量评价标准，以人为规划方法作为对照，定量分析四种基于正交变换的深度Q网络单像素成像的重建结果。仿真和实验结果表明，深度Q网络单像素成像在正交变换单像素成像体系中都能取得优于人为规划采样路径的成像效果。引入深度Q网络，离散余弦变换单像素成像取得的成像效果最好，Krawtchouk矩变换单像素成像能够克服其在自然图像中的局部效应，成像质量提升较大。

单像素成像技术在成像速度和质量上已经取得一定的进展，然而，如何在保证成像质量的前提下提升成像速度仍然是一个待解决的问题。对Hadamard系数矩阵中每条斜列上的系数绝对值求取平均值后，发现其具有迅速减小的特征，基于此发现提出了一种自适应斜Z字形采样方法，以实现预期的成像质量和速度提升。实验结果表明，该方法可以有效减少采样次数与数据采集量，兼顾成像质量的同时提升了成像速度。在相同的采样率下，其成像质量优于顺序采样的单像素成像。

黄河每年输送大量泥沙进入渤海。 研究黄河口海域悬浮物浓度， 对于黄河输沙以及周边海域的环境监测具有重要意义。 利用2011年夏、 冬两季实测遥感反射率以及同步测量悬浮物浓度数据， 开展了黄河口海域悬浮物浓度分段线性反演研究。 结果表明， 不同浓度范围下， 悬浮物浓度反演的敏感波段不同； 浓度小于等于50 mg·L-1（≤50 mg·L-1）， 敏感比值波段为(600~700 nm)/(400~600 nm)， 浓度高于50 mg·L-1（＞50 mg·L-1）， 敏感比值波段为(750~900 nm)/(420~720 nm)， Landsat8 OLI的对应组合方式分别为B4/B2和B5/B3； 根据上述浓度分段范围分别建立线性模型， 其精度R2， RMSE和APD分别为0.873 5， 4.08 mg·L-1和22.81%（≤50 mg·L-1）， 以及0.969 3， 102.96 mg·L-1和17.51%（＞50 mg·L-1）， 整个浓度下三个精度参数分别为0.975 3， 67.03 mg·L-1和20.45%， 均优于常用单一模型在分段和整体浓度下的相应参数， 且具有良好的稳定性。 分段线性模型， 更适合浓度变化大的黄河口海域悬浮物浓度反演。

基于遥感手段准确估算水体漫射衰减系数Kd(490), 可为有效评价近岸海域水质、准确估算真光层深度提供有力数据和方法支撑。利用2004~2012年在南海海域获得的9个航次的实测Kd(490)数据, 通过建立实测与遥感产品的时空匹配数据对, 获取与Kd(490)实测数据相对应的MODIS-Aqua遥感反射率(Rrs(λ))和叶绿素a浓度(Chl-a)产品, 分别采用算法Muller, Werdell, Morel, Lee和MODIS业务化算法KD2M对南海海域Kd(490)遥感产品进行精度评估与对比; 在此基础上, 考虑到南海海域水体的特异性, 基于相应的实测Rrs(λ)和Chl-a数据集, 利用上述算法对Kd(490)反演产品再次进行精度评估与对比, 进而探讨Kd(490)产品的误差来源和算法区域化修正的必要性。基于MODIS-Aqua遥感产品, 利用上述五种算法获得的MODIS-Aqua Kd(490)产品值与实测值的平均相对误差(APD)分别是2012%, 2922%, 17.98%, 22.61%和21.61%, 其中, Morel算法最优, 且相关系数最高达0.5; 基于相应实测数据, 利用上述算法反演获得的Kd(490)产品精度均有不同程度的提高, 特别是算法Lee和Werdell, APD分别为17.86%和1797%, 提高了5%~11%, 最优算法为Morel, 其APD可达15.44%。合理选取评估算法及进一步开展算法的区域性修正对于准确估算南海海域Kd(490)产品是非常必要的。

基于数值模拟方法研究了弯曲效应对ZBLAN 光纤中红外超连续光谱产生的影响。利用有限元方法分析了宏观弯曲效应对不同数值孔径ZBLAN 光纤的限制损耗、色散和非线性特性的影响，计算出ZBLAN 光纤的弯曲截止波长，基于广义非线性薛定谔方程模拟了ZBLAN 光纤中红外超连续谱产生的演化过程。研究发现，在未发生弯曲的情况下，非线性系数在中红外波段迅速下降会限制低数值孔径ZBLAN 光纤中的光谱展宽；在发生弯曲时，当孤子中心频率接近弯曲损耗边界时，孤子自频移效应被抑制，光谱展宽停止。

浮游植物粒级结构是海洋生态系统中的一个重要生物学因子。基于生物光学参数反演浮游植物粒级结构变化是当前水色遥感研究的热点问题。本文综合南海北部海区多年航次调查数据, 对现有几类反演算法进行了区域性优化和验证评价。根据叶绿素a浓度(Chl a)或浮游植物吸收系数(aph(443))的阈值可实现南海北部海区小型(Micro)和微微型(Pico)浮游植物主导的划分, 微型(Nano)的判别精度较差。基于归一化吸收光谱提取的粒级指数可定性地表征浮游植物粒级结构的综合变化趋势。基于叶绿素a浓度的三组分模型, 较好地模拟浮游植物粒级结构的变化规律, 可实现分粒级叶绿素a浓度的定量反演, Pico粒级的反演精度较高; 在此基础上, 耦合浮游植物吸收光谱变化规律和总叶绿素a浓度定量反演粒级结构的模型, 进一步提高了Micro和Nano粒级的反演精度, 且线性相关程度增强。

利用2004~2012年在南海获得的9个航次的实测Chl-a数据, 采用NASA标准业务化算法OC3和针对低Chl-a水体所发展的最新算法OCI反演获得了相应的MODIS-Aqua Chl-a产品。通过建立实测与遥感产品的时空匹配数据对, 开展了Chl-a产品的适用性评估, 并对比分析了上述两种算法的性能。在此基础上, 利用南海实测遥感反射率(Rrs(λ))和MODIS-Aqua Rrs(λ)产品以及相应实测Chl-a的匹配数据集, 分别对算法OC3和OCI进行了区域性修正。结果显示: 基于算法OC3和OCI反演所得的MODIS-Aqua Chl-a产品值均高估了实测值, 平均绝对误差(APD) 的精度分别为56.30%和42.58%, 且算法OCI可明显改善低Chl-a水体(<0.25 mg·m-3)的反演精度;采用南海MODIS-Aqua Rrs(λ)产品与实测Chl-a匹配数据集(N=82)修正后的区域性算法NOC3和NOCI的精度均有不同程度提高, APD精度分别为37.85%和36.74%;采用现场实测Rrs(λ)与Chl-a匹配数据集(N=123)进行区域性修正后的算法INOC3和INOCI的APD精度分别为36.61%和37.79%, 上述两种方案精度较为接近。因此, 对于南海海域而言, 算法的区域性修正对于改善MODIS-Aqua Chl-a产品精度非常重要。