复杂地物目标的近垂直后向散射特征是影响雷达高度表回波波形的重要因素之一。对近垂直后向散射系数的获取主要采用基于参数模型的实测数据拟合方法, 但一般只适用于地势平坦且介质相对单一的地海面目标。本文基于机载雷达高度表, 针对复杂地物目标的距离-多普勒图像仿真实验数据和实测数据, 利用距离-多普勒域和地球空间域的映射关系, 提出一种后向散射系数的反演算法, 并对得到的后向散射系数进行定量分析。实验验证了提出的反演算法具有一定的适用性和参考性。

不同于传统被动光学传感器， 高光谱激光雷达发射主动式全波段高斯脉冲激光， 和植被叶片表面相互作用后， 不同波段后向散射强度返回至接收器并被记录下来。 以往的高光谱激光雷达植被叶片反射特性研究只聚焦于零度角入射的情况， 对多入射角方向反射光谱特性以及方向反射特性对叶片叶绿素含量估算带来的误差尚未进行过深入研究。 利用实验室研发的32波段高光谱激光雷达获取了不同入射角下的植被叶片反射光谱， 对高信噪比波段下植被叶片的复杂方向反射特性进行了深入分析， 随后选择光谱指数研究了高光谱激光雷达测量条件下植被方向反射特性对叶绿素含量反演的影响。 结果表明， (1)高光谱激光雷达植被叶片回波强度随入射角增大逐渐降低， 但二向反射率因子并不逐渐减小， 在可见光和近红外波段， 二向反射率因子随入射角增大分别呈现出两种不同形状特征， 可见光波段反射率因子最大值出现在0°~10°， 近红外波段最大值出现在60°， 反射率因子最小值均出现在45°处， 最大和最小反射率因子间可差0.1左右， 可见光和近红外波段10°~60°内二向反射率因子均呈现先减小后增大的趋势; (2)通过对不同入射角下光谱指数与叶绿素含量的回归分析发现， 方向反射特性对反演精度有非常大的影响， R2和RMSE并不随着入射角增大统一呈现同步增大或同步减小的趋势， 具体地， R2随入射角的变化趋势是先减小， 再增大， 再减小， 50°左右时最小， 增大发生在60°， RMSE则反之。 对于不同光谱指数， R2随入射角增大变化可达4倍， 波动范围为0.14~0.63， RMSE最大变化为1.5倍左右， 在0.5~0.8 mg·g-1内波动。 R2和RMSE的重大变化揭示了高光谱激光雷达植被叶片方向反射特性对叶绿素含量反演的重要影响。

水体中悬浮粒子对光的散射导致浑浊水下成像质量下降。偏振光学成像技术可基于偏振信息分离散射光和信号光，是浑浊水下成像的有效方法。然而，现有的水下偏振成像技术主要从空域分离散射光和信号光，对于散射光的抑制效果较为有限。利用散射光和信号光在频域的差异性，基于对偏振图像频谱信息的处理实现了对后向散射光的有效抑制，从而实现了成像清晰度的显著提升。在不同浑浊程度水体环境下对于不同物体开展了多组实验，实验结果表明，所提方法相对于传统的水下偏振成像方法可更好地抑制后向散射光和凸显物体信号光，最终实现在浑浊水体环境下的清晰成像，尤其对于高浑浊水体，成像清晰度提升效果明显。

深对流云是卫星传感器可见光与近红外波段替代定标的地球稳定目标，其方向反射特性是影响场地定标精度的重要参数。为了提高定标的准确性，需要双向反射率（BRDF）模型进行各向异性因子校正。基于Himawari-8卫星成像仪，利用提取的2016—2020年期间深对流云数据，依据查找表方法实现BRDF特征建模。在同一角度下对比业务化Hu模型归一化后的各向异性因子，分析两种模型降低深对流云响应标准误差的校正效果，并将经本文模型校正的长时间序列深对流云反射率数据和定标系数方法计算的仪器衰减率进行比较。研究结果表明，在可见-近红外波段范围内BRDF特性差异较小，与Hu模型相比，该方法表现出较高的一致性，使用本文模型校正后的深对流云响应标准误差小于Hu模型，且计算衰减率数值基本一致。在短波红外通道，本文模型与Hu模型相比，各向异性特征差异较大，使用Hu模型校正后标准误差增大，而使用本文模型校正后，标准误差最高可减少31%，在深对流云与定标系数计算衰减结果方面存在差异，这可能与短波红外通道的波动太大相关。因此，基于Himawari-8卫星成像仪对深对流云的BRDF特征建模是可行的。

在信号处理中抑制水体传输中带来的后向散射噪声, 是水下脉冲激光探测的关键技术之一。基于同一水域相邻 2次探测后向散射的相关性, 提出一种改进的归一化最小均方(NLMS)自适应滤波算法。根据后向散射的强度和滤波后目标信号大小控制步长因子, 使其对不同距离、不同强度的目标信号均能取得良好的滤波效果。通过计算机仿真和水池实验对算法进行验证, 结果表明, 对不同距离、不同反射强度的目标, 该滤波器算法均能以较低的阶数有效滤除后向散射噪声, 保留目标回波信号。与现有的自适应滤波方法相比, 大大减少了滤波所需的计算资源, 在水下脉冲激光探测系统上具有一定的应用价值。

舰船尾流气泡具有尺度范围大、稀疏、离散等特征。利用蓝绿激光的海水穿透性能以及气泡对激光的后向散射特性，可以实现舰船尾流气泡的远场检测。舰船尾流的稀疏、离散特征导致气泡的激光散射回波信噪比极低，对光学接收处理系统及尾流信号处理方法带来了困难与挑战。建立了舰船尾流气泡的激光后向散射模型，通过蒙特卡罗仿真验证了不同水质、不同气泡距离和不同尺度气泡的激光后向散射特性，设计了可抑制近场水体强散射干扰的水下气泡激光测试分析系统，实现了激光能量与雪崩光电二极管接收增益间的匹配调节。针对室内和湖泊环境，开展了不同水质和光电探测参数下的尾流气泡检测性能测试，通过对数据进行统计处理分析得到了舰船尾流气泡的激光探测特征规律。设计的水下气泡激光测试分析系统可以实现对舰船尾流气泡的有效探测，为舰船尾流探测系统在不同水质环境下的工程应用提供了理论及数据支撑。