光子带隙光纤有着独特的结构形式、传输介质和导光机制，这使其具有传统光纤无法比拟的优点，是未来光纤陀螺的理想选择。但光子带隙光纤粗糙的纤芯内壁导致其产生强烈的背向散射次波，会使光子带隙光纤陀螺产生额外的非互易误差。为了定量分析光子带隙光纤背向散射次波强度大小，论文基于电偶极子辐射理论建立了一种简单的光子带隙光纤背向散射次波理论模型。通过聚焦离子束微纳加工法和原子力显微镜测量得到了准确的纤芯内壁表面形貌功率谱密度，进而计算得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数理论值为2.61×10^-9/mm。通过光频域背向反射散射仪得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数测量值为~1.82×10^-9/mm，初步验证了背向散射次波模型的正确性，为背向散射次波抑制技术研究奠定了基础。

多层膜光学元件的设计是基于理想的单色光进行的，然而光源发出的光束均存在光谱线宽，在非单色光条件下工作，元件的光学特性会偏离理论值。为了分析光束线宽对多层膜光学元件的光学特性影响，首先，基于薄膜辐射特性的部分相干理论，提出了准单色光束入射条件下多层膜光学特性计算方法；其次，通过数值模拟实验研究了光束线宽对窄带滤光片光学特性的影响。研究结果表明：随着线宽增大，滤光片透射通带的矩形度逐渐降低，半高全宽先降低后增大，其在滤光片的理论半高全宽附近取得最小值；光谱线型主要改变透射通带的透射率，对于透射谱线的矩形度以及半高全宽影响较小；为了保证窄带滤光片的通带形状，入射光束的线宽应当小于滤光片透射谱线的理论半高全宽的一半，光谱线型应当趋近于矩形线型函数。

针对湍流对水下成像系统的影响，基于Yao折射率起伏功率谱，推导了平面波的波结构函数，完善了水下光学成像模型，其优势在于将难以测量的微观参量如动能耗散率和温度耗散率，用平均温度和平均盐度等宏观参量代替。数值仿真了不同平均温度与平均盐度条件下水下湍流通过改变波前，进而对成像系统调制传递函数产生影响。仿真结果表明，平均温度与平均盐度升高，均会造成系统成像质量下降，进一步研究发现平均盐度增加，不同空间频率的调制传递函数值均线性下降，且下降幅度基本一致；随着平均温度升高，调制传递函数值线性下降，且高频成分的调制传递函数值下降得更快。为验证成像模型的正确性，设计搭建了3 m长的水下光学成像实验平台，利用相机记录分辨率板透过湍流的成像情况，得到不同平均温度与平均盐度条件下的调制传递函数曲线。对比实验与仿真结果发现，在平均温度10 ℃~30 ℃与平均盐度0 ppt~30 ppt范围内，对比度随平均温度与平均盐度变化趋势相同。该研究对水下光学成像系统的设计优化及水下图像处理具有一定的参考价值。

对流云中过冷水的识别一直是气象探测的难点。基于Ka波段毫米波雷达功率谱数据，结合探空资料，提出了高原对流云内过冷水的识别和反演算法；利用那曲两个个例对算法效果进行了分析，并结合同址的微波辐射计资料对雷达结果进行了初步验证；最后，探讨了算法与以往方法的差异。结果表明：高原层积云、浓积云和高积云内由上升气流主导，云内粒子相态变化快，过冷水粒子的回波强度、粒径和含水量分布较广。对于不同云类，过冷水的空间分布存在一定差异。过冷水的回波强度、粒径和含水量都与上升气流速度呈正相关，在时间变化趋势和空间分布上都有很好的对应。微波辐射计和雷达的液态水路径在时间变化趋势和峰值大小上都较为一致，相关系数为0.63~0.79。与以往方法相比，算法对过冷水位置和参数反演的结果更为合理。

提出将希尔伯特变换和功率谱估计相结合的光谱分析算法，对太赫兹反射时域波形进行处理，并将该算法应用于太赫兹时域光谱成像，将缺陷厚度和图像灰度关联，实现同时对玻璃纤维层压板内部缺陷厚度、位置和形状的成像检测。实验结果表明：将多重信号分类谱估计、自回归谱估计和希尔伯特变换结合时，能成功区分厚度为0.08 mm缺陷上下表面反射脉冲，反射脉冲的时间分辨率小于0.5 ps，缺陷厚度的检测误差不高于0.03 mm。