为进一步研究高斯激光束在水下通信与信息探测中的应用和在不同海水环境中传输过程的特性，以海水中最常见的陆源悬浮泥沙粒子为例，将米氏（Mie）散射理论与蒙特卡罗（Monte Carlo）方法相结合建立含有悬浮物海水中波长为520 nm的高斯激光传输模型，研究了特定直径和密度的粒子群对激光传输的影响。分析了不同探测距离下高斯激光传输模型的归一化接收功率随激光初始发散角的变化。研究结果表明：1）通过改变米氏散射模型中的悬浮泥沙粒子的直径和密度，从而改变仿真中设置的消光系数、散射系数和不对称因子，探测靶面的接收功率随散射体直径、密度和传输距离增加呈指数级减小；2）在一定范围内，初始发散角的变化不会影响接收面的接收功率，并且这种范围随着散射系数以及传输距离的增大而减小。所提的研究方法为进一步实际分析含复杂颗粒群（悬浮气泡、浮游藻类、悬浮泥沙）海水中高斯激光传输特性变化奠定理论基础，可为相关的工程估算提供参考。

为了研究浑浊水体对成像质量的影响，利用单次Mie散射理论和蒙特卡罗法，在融合几何光学成像的基础上提出一种理论分析方法。该方法分析不同波长的点光源在不同粒径不同浓度的浑浊水体环境传输时的成像特征。结果表明：波长分别为456 nm、524 nm、620 nm的点光源经相同的水体环境和无散射环境进行偏振成像传输时，波长为456 nm的点光源的成像效果最好；波长为456 nm的点光源经过散射粒径大小分别为1 μm和2 μm的浑浊水体时，线偏振光的成像效果优于圆偏振光，圆偏振光优于自然光；当穿过散射粒径为3 μm、4 μm、5 μm的浑浊水体时，自然光成像效果最好，线偏振光成像效果最差。从理论上分析了不同波段的点光源经过不同水体进行偏振成像传输的成像效果，为水下偏振成像技术提供了新的思路和方法。

针对现有散射光线追迹概率模型方案受限于解析解难以获取的问题，提出利用拒绝采样法设计基于双向反射分布函数（BRDF）的散射光线追迹概率模型，通过设置检验条件规避了积分求解过程，进而筛选出有效角度坐标，实现散射光线追迹，该方案具有适用范围广的优势。对于具有平移不变性的BRDF模型，进一步提出对称采样方案，通过将采样区域减半后再镜像提升速率。设置表面属性、入射角与追迹光线数量等仿真条件相同，编制了本文方案的仿真程序，对不同光机结构材料进行建模仿真后从重复性和精确度方面与LightTools软件运算结果作对比验证，基于拒绝采样法编制程序的仿真结果可以与软件模型结果相媲美。最后对软件中未包含的BRDF模型进行建模仿真以进一步验证上述方案的普适性。

调焦机构是空间相机获得良好成像质量的重要保障。由于调焦机构焦平面两端的同步性误差不可避免, 会对成像质量造成影响, 因此对双凸轮和丝杠螺母调焦机构同步性误差进行了分析。介绍了两种调焦机构工作原理; 分析了两种调焦机构同步性误差的来源并对其同步性误差进行了计算; 对两种调焦机构的同步性进行了测试验证。两种调焦机构采用统计法和蒙特卡罗法计算同步性误差, 验证结果与之相符。满足调焦机构同步性误差的最大允许值±20μm, 完全满足现阶段使用要求。

基于发光二极管的水下可见光通信技术是一种照明通信两用的水下无线通信方式，有效解决了水声通信时延大、带宽小、能耗大等诸多缺点。由于海水中各种介质对光的传播造成衰减，降低了接收信噪比，影响通信质量。同时，海水铅直方向介质质量浓度随深度增加而变化，导致光传播吸收和散射系数不是恒定的，影响到纠错编码的参数设置。本文在Matlab平台上使用蒙特卡罗法对海水信道进行了建模仿真，并根据仿真信噪比设计并提出了一种基于极化码的纠错编码方案，以调整编码参数，保证不同信道环境下数据传输的可靠性。仿真结果表明，对于不同的接收信噪比，所提方案都能够调节编码码率以实现无误码传输。因此，所提方案能够根据实际的信道环境来调整编码参数，保证了通信过程的可靠性。

在打破传统蒙特卡罗方法在光线跟踪计算时各个子过程连贯性的基础上, 发展了灵活的逆正向蒙特卡罗法, 进而利用该方法研究了介质的矢量辐射传输问题。通过建立一维梯度折射率半透明介质模型, 模拟了大气层折射率分布, 得到了考虑偏振时介质自身的 Stokes 矢量。研究结果表明, 梯度折射率介质不同表面的发射率存在一定的区别, 散射性介质在考虑偏振时表面发射率的结果与标量方法存在一定的差异。逆正向蒙特卡罗方法可用以解决矢量辐射传输这类复杂问题。

设计了一种热光伏电池单光谱辐射能-电能转换特性的测试系统。通过带通型滤波片和直漏斗二次聚光器实现了氙灯与电池间单光谱、能流密度可调的定向辐射传输。基于蒙特卡罗射线追迹法，构建了氙灯-热光伏测试系统的光谱辐射传输模型，分析了电池表面辐射能流的分布特征，讨论了二次聚光器开口尺寸和高度的影响规律，并从理论上计算了GaSb电池在单光谱、高能流辐射下的电流-电压曲线、输出功率和热电转换效率。结果表明，直漏斗二次聚光器的引入有效提高了热光伏电池的热电转换性能，电池表面辐射能量提高了105.3%，且均匀度高达95%，电池的输出功率提高了109.1%。

针对低能见度天气条件下的多次散射影响，提出一种根据多次散射激光雷达方程反演斜程能见度的改进方法。首先，根据后向散射峰值拟合散射相函数，采用半解析蒙特卡罗法计算多次散射修正系数m；其次，根据Collis法求解能见度级数值，并将相应m值代入多次散射激光雷达方程；然后，采用Fernald法反演消光系数，求解斜程能见度；使用激光雷达探测不同能见度等级的雾霾和大雨天气回波信号进行实验验证，对所提拟合方法和常用Henyey-Greenstein（HG）函数方法得到的斜程能见度结果进行比较。结果表明，在雾霾天气条件下斜程能见度的结果相差10.9%，大雨天气条件下，斜程能见度相差5.6%。所提改进方法提高了后向散射激光雷达反演斜程能见度的准确性。