推导了不稳定分层海洋湍流下厄米-高斯光束闪烁指数的理论公式，以及考虑海洋湍流和瞄准误差综合影响下UWOC系统信道系数的概率分布函数，进一步推导了系统主要性能参数即误码率、信道容量和中断概率的理论计算公式，并采用高斯-厄米正交积分近似方法求得3个性能参数的闭合表达式，仿真分析了不稳定分层和稳定分层湍流情况下，光束模数、传输距离、海洋湍流参数和瞄准误差对系统的平均误码率、平均信道容量和中断概率的影响。结果表明：相比于稳定分层，不稳定分层的系统计算误差更小；当盐度波动占主导时，系统性能更好；随着均方温度耗散率增大、湍流动能耗散率减小、瞄准误差增大，系统信道容量减小，中断概率增大。本研究结果可为厄米-高斯光在水下光通信领域的应用提供参考。

为满足海洋水色卫星遥感器在轨定标与真实性检验需求，研制了一套三通道同色散光路、同系统定标、同步观测的水体表观光学特性测量系统（WAOPAS）。WAOPAS的光谱范围覆盖350~900 nm，光谱分辨率优于3 nm，具备自动调节观测几何、自动增益积分时间、数据远程传输和自动预处理功能，可实现全天候无人值守观测。3台传感器采用相同的色散采集单元设计，使WAOPAS具有相同的光谱范围和采样间隔，分辨率最大差异为0.26 nm，保证了光谱测量匹配性。海面辐亮度、天空辐亮度及海面入射辐照度的快速同步多次采集，最小化了天空光变化和海面波动对测量精度的影响。辐亮度与辐照度采用同一定标系统、近同步定标方案，遥感反射比测量不确定度同步降低了0.34%~0.83%（比例系数K=1）。开展了与国际主流测量仪器的户外比对试验，结果验证了所研制系统的测量可行性。

基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念，笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统，提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术，设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上，笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水下激光光斑捕获跟踪实验。仿真验证结果表明了该系统与算法策略在原理上的可行性；室内模拟测试方位、俯仰跟踪精度分别为0.08 mrad和0.27 mrad，这表明可将本系统应用于水下无线光动态通信；水下激光光斑捕获跟踪实验结果表明系统的捕获概率优于99%，捕获时间少于9 s，水箱施加扰动前后的跟踪精度分别为0.6 mrad和2 mrad。本文为后续开展水下无线光动态通信技术研究提供了一种技术方法和研究思路。

以海洋一号C/D卫星中国水色水温扫描仪［COCTS （HY-1C/D）］的光学薄膜研制为例，介绍了海洋水色定量化遥感中应用的光学薄膜技术。在单片基片的不同通道区域依次镀制多块滤光膜以抑制杂散光的产生，充分研究了光束空间角频率分布带来的光谱及偏振影响，实现了5%带宽的定位精度，将通道滤光膜对偏振灵敏度的影响降到0.3%以下，采用双离子束溅射工艺来保证膜层的可靠性和光谱性能。此外，通过光学薄膜元件的偏振调控设计以及元件间的偏振补偿，实现了系统偏振灵敏度达到国际先进水平，0°扫描角时的平均偏振灵敏度小于1%。光学薄膜技术的应用有效提升了海洋水色的定量化遥感质量，结合大气校正，COCTS （HY-1C/D）获得的水色产品数据量化精度与美国的中分辨率成像光谱仪（MODIS）和可见光红外成像辐射仪（VIIRS）相当。

光场回波散射特性是未来水下激光通信与探测一体化的关键技术之一，而具有螺旋波前结构的涡旋光束［如拉盖尔-高斯（LG）光束］更适合抑制海洋湍流的影响。利用广义Huygens-Fresnel原理，推导出弱海洋湍流中LG光束经高斯分布粗糙表面反射的回波散斑强度的解析表达式；数值分析了光源参数、海洋湍流以及粗糙目标表面参数对回波散斑场复相干度的影响。结果表明，复相干度随着LG光束拓扑荷数、束腰半径、波长的增大而减小，随着海洋湍流强度的增大而降低，随着粗糙面相干长度的增加而增大，并且当粗糙表面的相干长度大于球形波在海洋湍流中传播的相干长度时，复相干度变化不明显，表明此时粗糙表面对复相干度的影响远小于海洋湍流的影响。这一结论为海洋湍流条件下目标探测与识别提供了参考。

下行漫衰减系数（k_d）是海洋光学领域的重要光学参数之一。利用大连港现场实测的含水中油水体光学参数和辐射传输模型Hydrolight模拟含水中油水体水下光场，分析水中油对水体k_d的影响，并根据模拟结果构建k_d半分析模型。结果表明，在可见光波段，不同水深的k_d光谱随着水中油浓度的增加而升高；随着水中油浓度的增加，k_d随水深增加而升高的趋势更为明显，且接近其定常渐进值的速度越快；含水中油水体吸收系数及后向散射系数对k_d的贡献与自然水体不同，使得含水中油水体与自然水体k_d半分析模型的参数值差异明显，因此，自然水体k_d半分析模型无法满足含水中油水体的精确计算需求。通过模拟结果构建的k_d半分析模型可以进一步计算得到精度较高的下行辐照度，为快速模拟含水中油水体水下光场提供了可靠的解决方案。

通过涡旋光束的轨道角动量的叠加态的识别研究，提出了一种在水下无线光通信中运用涡旋光束进行高维信息调制与解调的方法。给出了两种涡旋光束的叠加态的识别方法和流程，并对水信道传输后的叠加态的光强分布图进行了识别，得出叠加态中的拓扑荷数，以此通过实验论证了轨道角动量叠加态可在低拓扑荷数情况下实现16维信息的调制与解调，为涡旋光束在水下无线光通信中的应用提供了一种可行方案。

为了更加准确地表征粗糙水面环境下溢油的偏振反射特性，建立了改进型溢油偏振二向反射分布函数（pBRDF）模型。该模型基于Priest-Germer（P-G）理论，引入遮蔽函数、漫反射和体散射分量，并结合水面微小平面的概率分布函数，更加适合检测粗糙水面背景的溢油偏振反射特性。在粗糙水面环境下对5种不同溢油（机油、原油、柴油、煤油、汽油）目标进行多角度可见光波段偏振特性测试实验。结果表明：若相对方位角为180°，线偏振度随观测天顶角的增大先增大后减小，随入射天顶角的增大也先增大后减小；线偏振度随相对方位角的增大先增大后减小，在相对方位角为180°时达到最大，且受波长影响较小。该模型的置信精度可达到80%以上，证明了该模型的准确性，为研究粗糙海面溢油的偏振特性提供了一种新的途径。

为研究海冰对水下量子通信信道性能的影响，基于海冰在不同的密度、盐度下的吸收与散射特性，建立了海冰参数与消光系数之间的关系、光量子信号衰减模型；根据海冰在不同密度、盐度下的消光特性，分别建立海冰参数与信道利用率、量子密钥分配系统误码率、系统成码率之间的关系并进行数据仿真。理论分析与仿真结果可为海冰环境下的水下量子通信设计提供参考。

基于南海北部海域开展的走航观测，测量了颗粒直径为14~680 nm的气溶胶数浓度，分析了气溶胶数浓度时空分布、粒径分布特征。以核模态、Aitken核模态和积聚模态为基础，统计了气溶胶粒径谱谱型并对其分布模式进行了对数正态拟合。同时，讨论了航程中遭遇的一次冷锋过程对气溶胶数浓度、粒径和组分分布的影响。结果表明：沿海海域气溶胶总数浓度超过6800 cm^-3，远海海域气溶胶总数浓度约为1700 cm^-3；海洋气溶胶中位数粒径谱符合对数正态分布，近海气溶胶多为双峰型，峰值数浓度在200 cm^-3左右，而远海气溶胶多为单峰型，峰值数浓度在60~100 cm^-3之间；冷锋过程前的气溶胶样品属于海源气溶胶，呈现海洋本底气溶胶特征，而冷锋过程后的气溶胶样品为受台湾岛污染影响的陆源气溶胶。