卷云光学厚度是对全球气候、地球辐射收支影响较大的云光学参数之一。在**、大气科学等领域对卷云光学参数的求解算法有广泛的应用需求。应用中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据求解卷云参数的算法，多采用卫星多通道数据，数据处理过程较为复杂。为解决这一问题，利用RT3模型结合MODIS云参数，模拟计算卷云反射率，建立卷云光学厚度查找表，设计简单算法，实现了卷云光学厚度的有效反演。对比卷云光学厚度反演结果和MODIS实际测得的数据，可得两者相关性达到0.97，验证了此算法下卷云光学厚度反演的可靠性。选取MODIS不同时间段的数据，分析了卷云光学厚度在不同时间、空间范围的变化情况，平均误差小于0.16，进一步验证了基于RT3模型的查找表反演卷云光学厚度的有效性。研究结果有助于实现全球范围内卷云光学特性的简单有效反演。

基于矢量辐射传输方程的基本理论,考虑不同性质云层和不同海雾浓度的影响,将现有简化的两层大气结构细化为三层进行处理,采用倍加累加方法仿真天空光经过多层大气环境的散射过程,基于Rayleigh散射和Mie散射算法分别对每层粒子分布特性进行描述,建立适用于不同典型海洋环境下天空光的偏振分布模式。在太阳子午线位置处,研究海面观测高度角与下行辐射偏振特性的变化关系,研究结果表明,天空光偏振度随观测高度角呈规律性变化,随着云层和海雾粒子的增大及光学厚度的增加,偏振度逐渐增大。本研究为复杂海洋环境下垂直探测时天气环境及观测位置的选择提供了理论参考。

天空光偏振模型能够仿真天空光偏振态的分布规律,是研究天空光偏振态分布与大气特性参数之间的定量关系的重要工具.首先, 基于倍加累加法的辐射传输模型和T矩阵法计算粒子散射特性, 建立了适用于多种天气条件下的天空光偏振模型, 可覆盖可见光波段到近红外波段; 其次, 在比较实验中, 所建立模型的仿真结果与Hovenier等人的计算结果有95%的全天空光仿真点的相对误差小于5%; 最后, 利用基于液晶相位可变延迟器(liquid crystal variable retarders, LCVR)的全偏振成像探测系统进行全天空光探测实验, 结果表明, 所建模型的仿真精度优于传统模型, 并且在80%的区域内与实际观测结果保持一致.由此可以得出结论, 所建立的天空光偏振模型能够比较准确模拟多种天气下的全天空范围内天空光偏振态分布规律, 为不同天气条件下偏振遥感探测和偏振导航等技术提供有力的理论依据.

基于回转椭球模型和有限长圆柱模型, 采用T矩阵方法研究了非球形生物气溶胶的单次散射特性, 计算了鼠疫耶尔森氏杆菌、土拉热杆菌二种生物气溶胶对氦氖激光的单次相矩阵、单次散射反照率以及不对称因子。根据矢量辐射传输理论, 研究了激光在生物气溶胶中传输的偏振散射特性, 基于累加-倍加法(adding-doubling method)求解矢量辐射传输方程, 并计算了非球形生物气溶胶对激光多次散射的斯托克斯参量。计算结果表明, 生物气溶胶的尺寸和形状对光的极化更为敏感, 因此在利用激光进行生物气溶胶微观特性探测和反演时, 利用激光的偏振散射特性为非常有效的方法。

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。

为提高图像旋转补偿算法的效率,需要研究合理的空间变换方法,通过分析直接法、三步法和累加法的基本原理和计算复杂性,比较了三种方法的计算效率。实验表明,累加法减少了图像旋转中大量的浮点运算以及取整运算,可以在保证旋转质量的前提下,使图像旋转的平均处理速度明显提高。

根据米氏理论，分别计算了由纯水、纯冰和冰水同心球形粒子构成的平面平行、各向同性云层的单次散射特性（单次散射反照率、不对称因子以及单次散射相矩阵）。根据辐射传输理论，利用累加法求解了矢量辐射传输方程，得到了3种不同构成云层的多次散射矩阵，对不同波长的太阳光的反射特性进行了比较。结果表明，反射光的偏振度比强度对云层的微观构成更敏感，并给出了理论解析。

计算沙尘暴对电磁波的衰减特性,以及利用卫星反射率遥感反演沙尘暴的光学厚度时,通常假设沙尘粒子为球形,但实验室和现场测量结果都表明,自然界中的沙尘粒子为非球形,因此利用球形粒子模型模拟沙尘暴对激光的散射和衰减特性将带来较大误差。利用具有一定尺寸分布、形状分布、随机取向的椭球粒子模型模拟自然界中的沙尘粒子,利用T矩阵方法计算了其单次散射特性,并与球形粒子模型进行了比较,结果表明,混合椭球粒子的相函数随角度分布是平滑的、无特征的、且在侧散射方向上是平坦的,这和自然界中的沙尘粒子散射特性非常类似。最后利用累加法计算了沙尘暴对激光的多次散射特性,结果表明,利用任何一种单一形状的粒子模拟沙尘粒子的散射特性都会带来较大的误差。

用射线光学理论计算了具有一定尺度分布的六角冰晶粒子在可见和近红外光谱区一系列波长上(0.2-5 μm)的单次散射特性。利用米氏(Mie)理论,计算了与六角冰晶具有相同截面积的球形粒子的单次散射特性。根据辐射传输理论,应用累加法,分别计算了由冰晶粒子和等效球形粒子构成的卷层云的多次散射特性,计算结果表明当入射波长λ≈3.0 μm时,等效球Mie理论可以很好地用于计算卷层云的反射特性,但是当λ<2.8 μm时,尤其在可见光区,将引起显著的误差。最后提出了计算冰云光学特性的两种方案。