在光声层析成像（photoacoustic tomography，PAT）时，不均匀光通量分布、组织复杂的光学和声学特性以及超声探测器的非理想特性等因素会导致重建图像质量下降。本文考虑不均匀光通量、非定常声速、超声探测器的空间脉冲响应和电脉冲响应、有限角度扫描和稀疏采样等因素的影响，建立了前向成像模型。通过交替优化求解成像模型的逆问题，实现光吸收能量分布图和声速分布图的同时重建。仿真、仿体和在体实验结果表明，与反投影法、时间反演法和短滞后空间相干法相比，该方法重建图像的结构相似度和峰值信噪比可分别提高约83%、56%、22%和80%、68%、58%。由上述结果可知，对非理想成像场景采用该方法重建的图像质量有显著提高。

针对海洋港湾海水强吸收和高散射的特性，文章利用蒙特卡洛方法仿真研究了激光在浑浊港湾海水中的传输特性。文章在一定的光波长、光能量和发散角下，量化分析了水质参数和传输距离对激光的功率、脉冲响应以及光斑质量的影响。研究结果表明，激光在浑浊港湾海水中传输时，随着衰减长度的增加，光功率的衰减特性保持一致，且光功率的衰减速度不符合比尔定律所描述的线性关系。在相同的水质条件下，光脉冲的宽度和光斑的尺寸随着传输距离的增加而增大，但是当传输距离从20个衰减长度传输至30个衰减长度时，光脉冲宽度基本不变，光脉冲展宽量的变化小于1 ns，此时光斑尺寸持续增大。另外，在相同的衰减长度处，光脉冲和光斑的展宽量随着水质衰减系数的增大而减小。

2018年9月15日，美国航空航天局成功发射了ICESat-2卫星，ICESat-2搭载了地形激光测高仪系统（ATLAS），已经广泛应用于极地冰盖高程测量、海冰厚度估算、陆地高程测量、地表植被测量等多个研究领域。不同于GLAS/ICESat，ATLAS在信号探测系统中采用更为灵敏的单光子探测器，每秒发射10 000个脉冲（GLAS/ICESat系统每秒发射40个脉冲），可以获取到重复频率更高、光斑更小的高密度光子计数回波数据，进而实现高精度全球观测。由于ATLAS采用的探测器光电倍增管（PMT）after-pulse的影响，在回波信号脉冲输出后常会出现小幅度脉冲干扰，不能准确反映原始信号波形，所以在实际应用过程中，必须对测量信号进行校正。首先基于ATL03产品，对光子计数回波数据进行预处理，获得了海冰、海洋、陆地和沙漠的廓线信息，结果显示在主信号回波之后均存在两个小的脉冲回波（约2.3 m和4.2 m处），此外陆地和沙漠在10~45 m间存在一个更长时间延迟的脉冲回波，证实了不同反射表面均会受到PMT after-pulse影响。然后利用ICESat-2卫星过境撒哈拉沙漠地区的夜间观测数据，计算了不同波束下的脉冲响应函数，6个波束得到的脉冲响应函数整体形态相似，在主信号回波后出现三个不同幅度的脉冲回波（约2.3 m、4.2 m和6.5 m处）。最后利用6个波束的脉冲响应函数对同一海洋剖面进行校正，结果显示除ATLAS Beam2外，其余波束均可有效滤除主脉冲之后的小幅度脉冲，校正得到真实的水下回波信号。

水下无线光传输面临功率衰减和时域宽度变大的问题，蓝绿光长距离传输特性更难以测试。利用蒙特卡洛法对水下蓝绿高斯光束传输过程进行仿真，分析海水类型、传输距离和发散角等因素对接收功率及脉冲响应的影响，数值对比小发散角情况下不同海水类型和传输距离的接收面上功率分布。结果表明，随着海水衰减系数、传输距离和发散角的增加，接收功率逐渐减小，时域宽度扩展变大。其中浑浊港湾海水在10 m以上传输距离时，接收功率受发散角的影响微乎其微，而时域宽度随发散角的增加由0.32 ns变为0.8 ns。虽然传输距离相差一倍，纯海水和清澈海水功率相似度依然高达99%。基于海水衰减系数的差异性，利用功率相似度和面积比来研究水下长距离的传输，可高效快速地获得长距离传输特性。