水下光电成像技术可以获取水中目标的高分辨率信息, 在水下资源勘探或水下威胁目标探测告警等民用和军用领域有重要的应用。研究水下光电成像模型, 旨在阐明水下图像退化机理, 获取高质量的水下光电图像。以静态水下光场分布为基础, 通过视线方向上的路径亮度积分获取水下图像, 从而建立水下图像与水下光源分布、目标布置、水体光学参数以及视点位置的关系, 得到水下光电成像模型。以水下实际拍摄的光电图像为例, 初步验证了水下光电成像模型的有效性。该成像模型从理论上说明了在自然光及人工照明情况下的水下图像形成原理, 对设计优良的水下光电成像系统及水下图像复原算法具有指导意义。

传统气溶胶反演方法通常先基于模型假设确定地表反射率，但反演结果会受到假设的影响；而深度学习方法基于数据驱动，能在气溶胶定量反演中得到更加准确、高效的结果，但模型训练需要充足的优质样本数据支持。为此，使用大气辐射传输模型构建模拟样本，支持深度学习方法实现气溶胶定量反演，旨在解决当前训练数据代表性不足、数据获取困难的问题。利用辐射传输模型模拟不同参数条件下传感器获得的辐射信息，考虑概率组合及筛选标准限制进行模拟数据构建，并使用深度置信网络（DBN）对模拟样本进行训练，获得气溶胶反演模型。将模型应用于Landsat-8数据，在中国北京地区开展气溶胶反演实验。最后使用AERONET地面站点的实测数据对反演结果进行精度验证。验证结果表明，模型估算的气溶胶与站点测量值吻合良好，相关系数为0.8989，均方根误差为0.1029，约74.05%的估算值在误差标准内。本文提供了一种基于辐射传输方程构建样本数据集的思路，可减少样本质量与数量导致的局限性，实现深度学习方法对气溶胶光学厚度的高精度反演。

从斜程能见度探测原理出发,利用SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)模式求解辐射传输方程,对天空背景辐射进行了详细的理论仿真与分析。利用SBDART 模式自带的气溶胶模型,仿真得到了不同类型气溶胶模型在晴天条件下的天空背景辐射结果,探讨了太阳直接辐射和大气散射辐射以及不同高度上大气散射辐射的分布趋势,分析了气溶胶单次散射反照率和不对称因子对结果的影响。提出了激光雷达结合SBDART模式的实际天空背景辐射的计算方法,以实测扫描激光雷达的气溶胶探测数据作为SBDART模式的输入参数,计算获得了实际大气中太阳直接辐射以及不同高度处天空背景辐射的分布结果。为了验证结果的正确性,利用太阳光度计同步测量的太阳直接辐射,进行了对比验证,两者具有较好的一致性,相关系数达到0.99。以黑体为目标,初步探讨了天空背景辐射对斜程能见度的影响,结合激光雷达和SBDART模式所得到的实际天空背景辐射可为斜程能见度精确反演提供保证。

为提高海洋气溶胶的反演精度, 定量研究了气溶胶在可见近红外波段的多光谱偏振辐射特性。 首先建立了合理的海洋气溶胶及海面模型, 基于逐次散射法准确模拟了光在气溶胶中及大气—海洋交界面处的矢量辐射传输过程, 接着从光谱角度定量分析了典型波段处的反射率和偏振反射率, 在此基础上提出了海洋气溶胶偏振辐射的光谱分布模型, 并用卫星数据对模型进行验证, 最后研究了气溶胶光学厚度、 观测角度、 海水叶绿素a浓度和海面风速对气溶胶多光谱偏振辐射的影响。 研究表明, 在可见近红外波段不考虑大气吸收和耀斑效应时, 气溶胶偏振辐射的光谱变化符合幂函数模型; 在不同波段处, 海洋气溶胶的偏振辐射受海水叶绿素a浓度和海面风速的影响不同; 海洋气溶胶的多光谱偏振辐射信息有效体现了气溶胶的自身特性, 且与反射率相比, 偏振反射率随各因素的变化存在更明显的谱段差异性。 因此, 可以运用气溶胶的多光谱偏振信息反演海洋气溶胶参数, 多光谱探测的加入对提高气溶胶反演精度具有重要意义。

针对辐射率的漫射近似、P3近似等正向模型在描述小源探距离及低约化反照率介质下光子传输时存在的局限性，推导了用于小源探距离低反照率无限媒质中各向同性稳态点光源下辐射传输方程在P5近似下的解析解，并将P3近似、P5近似计算的辐射率分别和蒙特卡洛模拟结果进行对比.结果表明:在高约化反照率（0.97）条件下，P5近似和蒙特卡洛模拟结果的最大相对误差为13.17%，而P3为41.57%.在低约化反照率（0.69）条件下，最大相对误差分别为27.78%，286.70%.在其他光学参数下，P5近似与蒙特卡洛模拟的最大相对误差均小于P3.在P5适用的范围内舍弃最大特征根相关项，可以简化解析表达式，提高计算速度，且对P5的计算结果影响甚微.稳态辐射率测量系统仿体验证表明，在高、低约化反照率介质中的小源探距离下，由P5近似计算得到的辐射率和实验测量结果相符.

以辐射传输方程为基础,借助小角度近似条件,利用多次散射递归的逐级逼近来描述水体散射过程,推导得出水下辐射照度以及衰减系数的计算关系.着重讨论了激光在海水中的衰减特性,结果表明随着光学厚度的增加,各次散射光先增大后减小,相对辐射照度基本呈指数衰减,衰减趋势随单次散射反照率或者不对称因子的增大有所减缓.与蒙特卡罗方法模拟的结果进行比较,小散射角条件下多次散射近似方法的计算准确度优于单次散射近似,可以作为分析水下激光传播特性的参考依据.

研究大气偏振光谱在太阳天顶角SZA、 观测天顶角VZA和相对方位角RAA构成的观测几何变化时的特征。 采用离散坐标法求解大气矢量辐射传输方程, 结合真实大气环境与结构参数, 以MODTRAN太阳参照光谱仿真大气层顶初始光谱, 考虑下垫面反照、 气溶胶垂直分层与成分混合比及痕量气体吸收的影响, 仿真计算相对方位角为0°和90°时0.4~3 μm波段大气偏振光谱, 丰富大气偏振光谱信息。 仿真结果表明: (1)相对方位角为0°时, 偏振度DoP和Q/I随SZA的变化分别呈“V形”和倒“U”形, U/I很微弱, 量级低于10-7, V/I在任何观测几何下都很微弱; (2)晨暮时段, 若太阳不在视场内, 大气偏振度在波长0.51和2.75 μm附近为极大值, 在1.5 μm附近为极小值。 因此, 在不同的观测几何条件下, 选择相应的波段和偏振信号, 将有利于实体目标探测。

针对基于金属线栅偏振片的红外偏振成像系统组成, 需要考虑目标、大气、天空、偏振片的反射和自身辐射的影响, 进而有效分析进入成像系统的红外偏振辐射组成。文章通过偏振微面元理论的散射函数模型, 推导红外偏振辐射传输方程的Stokes表达式, 得出红外偏振信息(偏振度、偏振角)与目标表面粗糙度、折射率、反射和观测角度等参数的数学模型, 通过合理简化偏振信息表达式, 仿真得出某材料的偏振度曲线与文献中实测数据基本一致, 为进一步提高红外偏振成像系统的探测性提供理论依据和技术支持。

为获得满足偏振成像探测器的研制所需的偏振成像样本，并解决现有偏振遥感仿真分析中普遍缺乏实测数据支持的问题，提出了一种基于强度图像和实测地物偏振反射率数据的偏振成像仿真方法，介绍了其实现过程，并且得到了不同大气几何条件下的卫星高度偏振仿真图像。通过与强度仿真图像定量的对比表明，偏振成像对比度受大气能见度的影响较弱，在低能见度及后向散射条件下或者某些特定方向上优势更为突出。偏振成像的清晰度对观测方向较为敏感这一属性可以指导选择特定的方向进行偏振探测，并最终提升雾霾条件下偏振成像对地遥感的目标识别能力。