利用矢量辐射传输的蒙特卡罗法,研究了球形和平面平行大气模式下冰云大气反射率的差异,并计算了三种波长(0.65, 0.85,1.55 μm)在大天顶角(85°)入射时,冰云大气的偏振辐射传输特性随不同冰晶粒子模型、光学厚度、有效半径、冰水含量、相对方位角和地表反照率的变化关系。结果表明:冰云大气反射率在两种大气模式下的误差随天顶角的增加而增大,误差可达55%。在球形大气模式下,对于不同波长、冰晶粒子模型和相对方位角,冰云大气反射率的差异较大,且冰云大气偏振度的变化更加复杂。冰云大气反射率和偏振度对冰云光学特性和地表反照率的变化也较敏感,随光学厚度、冰水质量浓度和地表反照率的增加,冰云大气反射率增加,偏振度减小,而随着有效半径的增加,冰云大气反射率减小,偏振度增加。

偏振导航的有效性在很大程度上依赖于能否从不同大气状况中获取到有效的全天空偏振分布信息。文中依据矢量辐射大气传输方程仿真分析了无云晴空和混浊大气状况下的全天空偏振度和偏振角分布特征, 并研究了大气混浊度、太阳方位、观测高度和观测波段对偏振分布的影响, 进而探讨了不同大气状况下偏振导航的有效性。结果表明: 太阳位置决定了全天空偏振分布图景的整体形式; 混浊大气对近地层观测偏振信息的影响明显, 当整层光学厚度增大至2以上时, 偏振度将降低至0.1以下, 此时偏振信息的检测难度增大, 不利于导航, 而以晴空为主的中高层大气受混浊大气影响较小, 偏振信息稳定, 且符合Rayleigh单次散射分布特征, 可保证白天全时段导航的有效性; 在无云大气下, 可见光波段内长波段更适合作为偏振导航的观测波段。

为提高海洋气溶胶的反演精度, 定量研究了气溶胶在可见近红外波段的多光谱偏振辐射特性。 首先建立了合理的海洋气溶胶及海面模型, 基于逐次散射法准确模拟了光在气溶胶中及大气—海洋交界面处的矢量辐射传输过程, 接着从光谱角度定量分析了典型波段处的反射率和偏振反射率, 在此基础上提出了海洋气溶胶偏振辐射的光谱分布模型, 并用卫星数据对模型进行验证, 最后研究了气溶胶光学厚度、 观测角度、 海水叶绿素a浓度和海面风速对气溶胶多光谱偏振辐射的影响。 研究表明, 在可见近红外波段不考虑大气吸收和耀斑效应时, 气溶胶偏振辐射的光谱变化符合幂函数模型; 在不同波段处, 海洋气溶胶的偏振辐射受海水叶绿素a浓度和海面风速的影响不同; 海洋气溶胶的多光谱偏振辐射信息有效体现了气溶胶的自身特性, 且与反射率相比, 偏振反射率随各因素的变化存在更明显的谱段差异性。 因此, 可以运用气溶胶的多光谱偏振信息反演海洋气溶胶参数, 多光谱探测的加入对提高气溶胶反演精度具有重要意义。

为定量分析大气折射对辐射传输的影响，建立了矢量辐射传输模型(VSPART)，讨论了大气折射对漫射光Stokes矢量及辐射通量密度的影响。在模型中，采用射线追踪法实现了大气折射过程的参数化，基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解；将VSPART模拟结果与文献值及SPDISORT、DISORT、RT3/PolRadtran和MYSTIC的模拟结果进行了对比，验证了模型间的一致性；在纯瑞利散射大气及含气溶胶大气条件下，分析了大气折射对地面下行辐射和天顶上行辐射漫射光Stokes矢量的影响，讨论了大气折射效应随太阳天顶角的变化。结果表明，太阳天顶角为86°时，在瑞利散射条件下，由大气折射造成的漫射光（波长0.35 μm）I、Q和U分量的相对偏差可达9.2%、10.2%和11.3%，辐射通量密度的相对偏差可达5.3%。对于地面下行辐射，大气折射的影响总体随天顶角增大而增强，天顶上行辐射则反之。大气折射对地面下行漫射辐射的影响强于天顶上行辐射。随着气溶胶光学厚度的增加，大气折射效应显著增强；煤烟气溶胶条件下，大气折射的影响强于矿质型及海盐型气溶胶情形。当太阳天顶角大于70°时，大气折射的影响迅速增强，此时有必要在辐射传输模拟过程中考虑大气折射效应。

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。

为了研究多次散射效应下偏振光在含矿物质粒子海水中的传输特性，建立了一种基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模型.验证了模型准确性，并利用该模型研究了矿物质粒子复折射率、粒子群平均半径和入射光偏振状态对传输特性的影响.模拟仿真结果表明，不同类型矿物质粒子中，较小复折射率实部的粒子，传输特性对复折射率实部变化的敏感性较大；较大复折射率实部的粒子，传输特性对复折射率实部变化敏感性较小.粒子复折射率的虚部是影响光波传输特性的另一重要因素，粒子的吸收性越大，其传输效果越差.随着海水矿物质粒子群平均半径变大，光波透射率降低，反射率增大.圆偏振光与自然光在含矿物质粒子海水中的传输特性相对接近，在海水中，透射率最高的是垂直偏振光，最差的是圆偏振光；反射率最大的是自然光，最小的是水平偏振光.其中水平偏振光传输特性受入射光入射角影响较大.

对潜通信及对潜探测中蓝绿激光将穿透海水表面，大气/海水界面由于风速及其他外力作用而呈现复杂状况，将影响蓝绿激光在界面的传输特性。针对泡沫-海面复合模型，采用矢量辐射传输理论、米氏理论以及粗糙面散射理论对泡沫海面的散射特性进行了分析。采用基尔霍夫近似针对JONSWAP 海谱，讨论了泡沫海面在蓝绿激光波段的后向散射系数与入射角、风速、风区以及海水温度、含盐度等参量的关系。结果表明：随着海面上方风速、风区及介电常数的增大，泡沫层对海面的激光散射具有相当大的影响，尤其是在入射角度较大的状态下。

为获得满足偏振成像探测器的研制所需的偏振成像样本，并解决现有偏振遥感仿真分析中普遍缺乏实测数据支持的问题，提出了一种基于强度图像和实测地物偏振反射率数据的偏振成像仿真方法，介绍了其实现过程，并且得到了不同大气几何条件下的卫星高度偏振仿真图像。通过与强度仿真图像定量的对比表明，偏振成像对比度受大气能见度的影响较弱，在低能见度及后向散射条件下或者某些特定方向上优势更为突出。偏振成像的清晰度对观测方向较为敏感这一属性可以指导选择特定的方向进行偏振探测，并最终提升雾霾条件下偏振成像对地遥感的目标识别能力。

研究了大气辐射传输过程中获得的实际天空偏振分布模式。利用简化的双层大气模式模拟实际大气，以基于倍加累加法的矢量辐射传输模式（RT3）为基础求解矢量辐射传输方程，得到全天空离散点处光波的Stokes参量，进而计算天空对应点处光波的偏振信息，建立基于RT3的大气偏振模型，并与传统Rayleigh散射理论模型进行了对比分析。结果表明，晴天、多云、阴霾天空的偏振度依次降低，并且随着波长的增大，偏振度下降明显。基于RT3的大气偏振模型不仅与传统Rayleigh散射理论模型一致，而且能够反映不同天气、不同波长以及不同地表反照率对天空偏振的影响规律，利于实际大气下的偏振光测试与应用。

海洋气溶胶是对流层气溶胶的重要组成部分, 对全球的辐射收支平衡及气侯变化均有重要的影响。 评价气溶胶的直接与间接辐射效应需要对气溶胶的性质进行深入的研究。 多角度偏振为气溶胶光学物理性质研究提供了新的方法。 在对可见光550 nm和近红外860 nm波段处海洋气溶胶的光学性质的研究基础上, 采用矢量辐射传输模型模拟了TOA（top of atmosphere）反射率和偏振反射率与下垫面性质、 观测方位角、 气溶胶光学厚度之间的敏感性。 模拟结果表明, 海洋型气溶胶的多角度偏振信息可以有效地体现气溶胶的光学性质, 可以利用多角度偏振遥感信息进行海洋气溶胶的反演, 为利用多角度偏振遥感数据进行海洋气溶胶提供了理论基础。