采用蒙特卡罗模拟技术对血管组织在可见光波段的多光谱成像进行建模仿真，通过分析不同血氧饱和度下血液后向散射功率的绝对值、相对值、绝对差值和对比度，并考虑可能的干扰因素，优选出适合内窥环境下使用的450 nm、525 nm、630 nm和660 nm 4个成像波段。基于4个优选的成像波段展开了血氧饱和度检测的实验验证。在血管仿体组织上的实验结果表明，在95%的置信水平下，血氧饱和度的检测偏差为1.24%。研究结果验证了利用四波段进行内窥组织血氧饱和度检测的可行性。

在跨水空界面可见光通信（W2A‐VLC）中，动态水面波浪会导致光束折射、接收到的光信号强度随机波动。本文重点研究规则波浪和随机波浪对光无线传输的影响，采用实验与理论仿真相结合的方法，研究跨波动水空界面的可见光传输，分析光信号传输的物理响应及其链路性能。先通过实验测试激光二极管（LD）窄光束传输，获得接收端光斑的统计特性，然后将其与蒙特卡罗仿真结果进行对比，结果发现规则波浪和随机波浪引起的光子能量分布的统计规律不同。接着从发光二极管（LED）宽光束传输的角度验证LD的传输特性，即：将LED视为窄光束的集成，进行仿真和真实的W2A‐VLC实验验证；仿真结果与实验结果一致，从而从宽光束角度证明了窄光束的统计规律。

引力波探测激光干涉仪对四象限探测器性能提出了较高的技术要求。为了提升四象限探测器光斑位置检测精度，搭建四象限探测器相干探测仿真系统，构建位置检测数学模型，分析位置检测精度与系统信噪比、光斑半径和光斑质心位置三个关键参数以及相干混频增益的关系。基于蒙特卡罗仿真方法并采用LabView软件搭建四象限探测器光斑位置检测计算机仿真系统，深入分析系统中高斯光斑产生、光斑质心位置解算以及误差评判三部分主要过程，分析各个关键参数对位置检测精度的影响。仿真结果表明，提升系统信噪比、减小光斑半径以及选取靠近光敏面中心的光斑质心位置可以提高位置检测精度。将仿真结果与理论计算结果进行对比，验证了数学模型的有效性，提升了蒙特卡罗仿真置信度。

为了论证单光子成像技术天基应用可行性，分析了光学系统后向散射影响消除、单光子雪崩光电探测噪声抑制、自由运行模式等关键问题。基于偏振滤波理论、泊松统计滤波理论，选取重尾型脉冲激光函数，采用蒙特卡罗仿真方法，构建了星载单光子计数成像系统仿真模型，并仿真了不同轨道高度、不同重复次数和门控时间间隔条件下的光子计数结果。结果表明，脉冲激光回波光子计数波形与发射波形相近，仿真情况与实际相符，单光子成像距离存在阈值，当重复次数低于开门次数时，存在漏检现象。根据本研究的参数设置，在500 km的轨道高度上，当重复次数为2000、开门次数为2000时，激光测距精度可达0.09 m。所提相关方法可以为星载单光子计数成像系统指标分配和在轨参数调整提供技术支撑。

针对不同大气环境条件下激光测距机最大测程显著变化的问题, 建立了表观光学参数大气能见度V与大气吸收系数、散射系数和总衰减系数之间的关系, 采用蒙特卡罗方法仿真了激光大气传输过程, 以美国Voxtel公司的远程激光测距机为例, 定量计算了雾天环境下能见度变化对最大测程的影响。结果显示:标称最大测程为10 km的激光测距机在能见度为20 m、300 m和1 500 m的气象条件下, 最大测程分别为30 m、335 m和1 240 m; 测距机最大测程随气象条件的改变会发生明显的变化。该仿真方法可评估大气光学参数对激光测距机测程的影响, 以及指导系统设计阶段的参数优化。

皮肤的漫反射光谱中包含丰富的组织信息,已被广泛应用于生理参数的检测,但由于人体生理参数变化复杂、多种情况下光学数据采集困难等因素,其在无创外周血液生理参数检测技术的发展及应用中受到了限制。鉴于此,使用蒙特卡罗模拟方法仿真了不同总血红蛋白、含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、高铁血红蛋白等多种外周血液成分浓度对皮肤的漫反射光谱及肤色的影响,提出了基于色谱融合的发绀成因分析方法。结果表明,皮肤的颜色特征可区分健康、黄疸病以及发绀,而分析方法解决了仅使用肤色很难对发绀现象的成因进行准确区分的难题。

针对大气环境中颗粒物浓度检测问题,以油雾环境为研究对象,在经典Mie散射理论基础上,建立蒙特卡罗偏振散射模型,采用Stokes-Mueller矩阵分析方法研究Mueller矩阵元素的变化规律,并使用Mueller矩阵分解方法对图样进行讨论,通过分析Mueller矩阵元素中信息可以有效获取介质特性。基于采用光学厚度表征油雾浓度的方法,将实验测试和模拟仿真有机结合,以证明模型的正确性。结果表明,随着光学厚度的增加,即浓度的增加,Mueller矩阵元素M₁₁图样随之增大,非偏振光学特征不断增强;且Mueller矩阵分解出的散射退偏矩阵强度值不断增大,散射退偏能力增强。该方法可更直观地判别不同浓度的颗粒物介质特征,达到可视化的效果,为大气颗粒物浓度的检测提供理论基础及测试新方法。

鉴于目前尚未有用于拟合清澈海洋水质信道冲激响应(CIR)曲线的函数,提出一种使用双指数函数拟合清澈海洋水质CIR曲线的方法,并与现有的其他4种拟合函数如单伽马、逆高斯、双伽马、CEAPF进行对比,以揭示所提方法的优势。在不同海水水质、传输距离、接收机视场角条件下,研究5种拟合函数各自的拟合效果和适用范围,并通过蒙特卡罗仿真实验加以验证。理论分析和仿真结果表明:所提双指数函数不仅在清澈海洋水质下的拟合效果很好,浑浊海港水质下的拟合效果也相当不错,特别是在短距离(比如10 m)清澈海洋水质、各种传输距离和视场角的浑浊海港水质下,皆超越其他4种函数的拟合性能。原用于拟合大气环境CIR的单伽马函数也可用于拟合清澈海洋和浑浊海港两种水质的CIR;采用逆高斯函数拟合清澈海洋、近海海岸、浑浊海港三种水质的CIR都有较大误差;双伽马函数则可较好地拟合近海海岸和浑浊海港这两种浑浊水质下的CIR,但却无法拟合清澈海洋的CIR;CEAPF函数总体上可用于拟合三种水质的CIR,且取得了不错的拟合效果。