复杂海洋环境是空间光电探测的典型应用场景, 可见至长波红外波段海表反照率参数是海洋大气传输与背景辐射特性研究的重要内容。鉴于目前中国海域海表反照率数据缺乏的现状, 在多源卫星长时间观测海洋环境特性参数数据的统计分析基础上, 通过考虑海水叶绿素含量、气溶胶光学厚度、海表面风速和太阳入射角度等参数的复合影响, 建立了海表反照率的快速参数化应用模式, 获得了中国南海、东海、黄海和渤海等典型海域0.4~14 μm海表反照率谱线, 掌握了海表反照率的时空分布特征, 为海空光电工程应用提供基础数据支撑。

利用布设在高频地波雷达福建示范区的东山、龙海2个雷达站的约3天的海流数据进行矢量正交经验函数分析。分析结果表明前3个模态的方差贡献率分别为91%、4%和1.4%, 累计方差贡献率达到了96%, 是主要模态。模态1的空时分布特性表明模态1主要反映了半日潮流的信息, 并且在一定程度上反映了水深分布的信息; 模态2的空时分布特性表明模态2主要反映了风生流以及流场旋转特性的信息; 模态3的空时分布特性表明模态3主要反映了上升流的信息。

围绕海洋背景下飞机和海面舰船等运动目标的探测需求, 本文研究了目标和载荷在多个坐标系下的空间位置与运动特性, 建立了天基探测场景的几何模型; 通过Pierson-Moskowitz海洋谱模型计算海面起伏, 实现大气层外海面辐射亮度的建模仿真; 利用多种目标的三维几何模型, 实现目标辐射特性的建模仿真。在上述研究的基础上, 利用MATLAB平台, 开发了一套海洋背景下多种运动目标的天基红外探测场景生成系统。结果表明: 该系统生成的海洋辐射亮度均值在中波红外谱段优于Modtran的生成结果, 在长波红外谱段与Modtran的生成结果之差小于3%。该系统可生成连续的海面背景下运动目标的辐射亮度图像, 为开发天基红外探测系统提供技术支撑。

选取1/72 龙鲨Ⅱ号核潜艇为研究对象，采用有限体积法建立外流域的三维计算模型，运用动参考系实现尾部螺旋桨高速旋转的仿真。基于该模型，评估下潜深度、航行速度、热尾流喷速、热尾流温度等因素对热尾流浮升扩散规律及海表温度特性的影响。研究表明：1）随着下潜深度和航行速度的增大，海表温度特性的后向延迟距离增大、海表温差减小；2）随着热尾流喷速和热尾流温度的增大，海表温度特性的后向延迟距离减小、海表温差增大；3）增大高温热尾流热容量或减小低温海水热容量均能促使海表温度特性趋于明显。本文结论可为某型号潜艇的红外探测与反演定位提供针对性的参考与借鉴。

基于矢量辐射传输理论，利用矩阵算法研究了海洋-大气耦合系统中，海雾气溶胶对太阳光的偏振散射特性。整个大气层垂直方向分为若干平面平行层，考虑了大气分子、云层以及气溶胶的垂直分布；海洋表面按照风驱随机粗糙海面进行了分析，考虑了海洋波斜率分布和遮蔽效应；海洋体也由若干平面平行层构成，考虑了海水以及叶绿素的吸收和散射影响。大气和海洋体每层的反射矩阵和透射矩阵以及源函数由离散坐标方法计算，整个海-气系统的散射特性由矩阵方法通过耦合层与层之间相互辐射得到。研究了整个海-气系统反射的太阳辐射以及偏振度对太阳光的波长、入射天顶角、观测角度、海洋表面风速、云和气溶胶的光学厚度，以及气体吸收等的敏感性。计算结果表明，多波长多角度偏振度信息随海洋表面和大气环境变化敏感，可以结合辐射强度和偏振度对海洋背景下气溶胶特性进行遥感反演。

星载激光测高仪的回波时间重心和脉冲宽度等系统参数对常见海态条件下的测距和反演精度有重要影响。本文根据菲涅尔衍射理论、海洋表面镜面反射理论、海洋波高和斜率统计特性以及激光测高仪回波误差理论, 推导并更正了激光测高仪海洋回波光子数表达式。首次完整推导出了影响海洋回波重心和脉宽因素的表达式, 证明了回波参数主要受发射脉冲宽度、测量天底角、指向角抖动和海洋表面上方风速的影响。除风速为表面特性影响外, 其余为系统参数影响。结合地球科学激光测高系统(GLAS)参数对其海洋回波的测距和脉宽精度做了定量分析, 得出不同风速GLAS的海洋表面单回波测距误差为2~15 cm, 脉宽标准差为0.5~3.5 ns。推导结果对优化设计用于海洋表面测量的星载激光测高仪系统参数、提高回波反演目标特性精度很有意义。

不同地表目标的模拟回波波形对测高仪系统参数设计具有重要意义，而海洋回波参数在Tsai之后很少被研究。根据菲涅耳衍射理论、海洋表面镜面反射性质以及海洋表面波高和斜率的统计规律，推导出与Tsai结果不同的近天顶方向入射时星载海洋测高仪探测器输出的回波解析表达式和回波总光子数；并用该推导结果建立了适用于激光测高仪亚毫弧度量级发散角的回波解析式。将模拟波形与地球科学激光测高系统(GLAS)真实海洋回波做对比，其能量、脉宽、振幅和形状都非常接近，误差均小于6%；分析得出海洋测高仪回波与测高系统参数和海平面上方平均风速有关，以GLAS参数为例，在风速大于12 m/s的条件下将很难收到有效海洋回波。该结论对海洋激光测高仪的系统设计参数及海平面上方风速的反演提供了重要的理论依据。

近程海面监测通常要在低照度条件下，获得高清晰、高分辨目标图像，以提高监测效能。与传统被动红外成像监测相比，激光成像雷达是一种主动成像技术，能获取目标强度像和距离像(统称为四维像)，具有较高的目标探测与目标识别概率。分析了美国条纹管激光成像雷达的发展现状及具有的技术优势，阐述了条纹管激光成像雷达采用的闪光式体制、一次成像、高速获取目标数据的原理。指出条纹管激光成像雷达既适用于近程海面监测，也可与现有监测手段，如被动红外、微波雷达等复合使用，提高监测效率。

海浪极化SAR成像模拟对海面散射的研究有重要的意义。 基于海浪谱理论, 在考虑大、 小尺度海浪影响的基础上, 构建了双尺度的随机粗糙海面。 根据该海面模型, 利用Bragg散射模型, 小扰动模型与速度聚束理论, 模拟了不同状况下海浪的极化SAR图像。 并针对海浪参数对极化图像的影响进行了分析, 结果符合成像统计特性, 得出了一些有益于海浪信息提取的结论, 并可以为海洋卫星的设计与海洋研究提供一种行之有效的手段。

迭代法解辐射传输方程是较精确的方法之一。描述了一种采用海洋表面反射模型解海洋上空大气辐射传输方程的标量迭代法。该方法在计算中对大气采用动态分层，海洋表面反射模型采用三分量模型－白泡、耀斑和离水辐射。为了验证该方法的正确性，分别采用相同的下垫面情况，把我们计算的结果和用6S、Z．A．程序计算的结果作了比较，并进行了误差分析。比较结果表明该方法计算海洋上空大气辐射强度是精确可行的。