光束在海洋介质中传输会极大地受到海洋湍流的影响。此外，涡旋光束轨道角动量的复用会极大地提高系统容量，因此研究涡旋光束在海洋湍流中的传输具有重要意义。在水平海洋湍流理论基础上，创新性地构建了斜程路径上海洋湍流相位屏模型，以相位结构函数为依据验证了海洋湍流相位屏的准确性，根据多相位屏法搭建准直高斯涡旋光束在海洋湍流中的上行传输链路模型。数值模拟并分析了不同天顶角、海洋湍流内外尺度及拓扑荷数等其他海洋湍流参数对准直高斯涡旋光束经海洋湍流上行传输的光强及相位分布、光束漂移、轴上闪烁指数和长曝光光斑半径的影响。结果表明：涡旋光束的拓扑荷数越小、天顶角越小，光束受到湍流的影响越大；在海洋湍流上行传输链路中，准直高斯涡旋光束的光束漂移、轴上闪烁指数及长曝光光斑半径随海洋湍流外尺度的增大而增大，且主要受传输距离的影响；理想情况下，取海洋湍流外尺度为无穷大，会高估湍流对光束的影响；由于涡旋光束的本身特性，拓扑荷数对光强及相位分布和长曝光光斑半径的影响也较为显著。

海洋立体结构信息是未来实现海洋透明与海洋强国的基础，针对海洋剖面探测能力不足的问题，以及星载海洋剖面多要素同源同域一体化探测空白，开展星载海洋剖面多要素探测技术与系统方案研究，提出新型激光主被动复合、能谱复用探测技术体制，面向未来星载应用，完成星载海洋剖面多要素探测载荷系统设计。其中，激光器谱段设计为486、532 nm多波长一体化最佳配比输出，光电接收探测系统选用1 m×5 m超大口径可折叠光栅主镜，经过仿真分析，探测系统可实现大洋水深100 m深度、温度、盐度以及后向散射系数等多要素同源探测能力，同等体积包络条件下，能量收集能力提升5倍。

海洋目标高空间分辨率遥感成像仿真技术在海面目标探测识别等方面得到了广泛应用。舰船与海水流体交互作用在高分辨率下得以显现，对其产生的复杂流场辐射模拟是成像仿真的主要难点。重点研究了舰船航行过程中与海水交互产生的流场几何形态和物性变化，提出了与海面方向辐射特性的耦合作用模型及海洋目标高分辨率遥感成像仿真方法。通过频谱分析的方法构建海面三维模型，使用计算流体力学的方法构造了船只航行流场的三维几何模型。根据海面组分分布的不同将其辐射特性与三维结构关联，构建了亚米级海洋场景三维辐射模型。通过辐射传输计算、场景内部多次反射模拟及大气影响和传感器效应仿真，最终得到观测条件下的卫星遥感图像。结果表明，将GF-6卫星全色波段实测图像与相同成像条件下的仿真图像对比，图像均值的误差为9.17%，标准差误差为9.21%，在平均灰度值、灰度分布、纹理细节等方面都具有较好的一致性，可以较真实地模拟高分辨率卫星成像下的海洋目标场景。

针对目前透明度遥感反演研究多以较低空间分辨率卫星数据为主的现状，采用分辨率高达10 m的Sentinel-2卫星数据进行了胶州湾海域水体透明度的遥感反演研究。构建了基于实测数据的反演模型。结果表明：模型具有较高的精度，反演值与实测值的平均相对误差为9.86%，均方根误差为0.22 m。依据构建的反演模型与卫星影像数据反演了胶州湾水体的透明度，绘制了水体的透明度分布图，分析了胶州湾海域水体透明度的空间分布规律和局部的细微变化特征。研究发现，胶州湾海域水体透明度呈现由近岸向外海逐渐升高的趋势，径流量大的河流会造成汇入海域透明度明显降低的变化，潮汐会引起透明度出现沿垂直于岸边方向的纹理变化特征，大型船只的通航会造成透明度短时降低的变化。

随着水下热射流的浮升，其动量逐渐衰减进而演变为羽流，采用常规的雷诺时均方法进行模拟容易出现涡粘过大导致仿真结果失真的问题。针对这一问题，文中以水下热射流出口为研究对象，运用PANS (Partially-Averaged Navier-Stokes)方法改进了水下热射流的计算模型，对其在静止和运动工况下的浮升扩散过程进行数值模拟，分析了水下热射流的浮升扩散规律。然后搭建了全透明的拖曳式试验水槽，采用平面激光诱导荧光（PLIF）方法测得的热射流在静止和运动工况下的浮升扩散图像与数值仿真结果进行对比验证。结果表明：基于PANS方法的水下热射流预测模型精度较高，所有误差均在15%以内，且绝大部分误差控制在10%以内。