利用双向反射分布函数描述目标表面的散射特性是最成熟和常用的方法，其关键在于如何快速准确地获取双向反射分布函数中的各特征参量。基于Cook-Torrance模型对目标表面散射进行建模，使用1550 nm激光对黑漆涂层金属进行探测，将测量数据用遗传-禁忌搜索混合算法进行反演，来获得模型中的未知参量。对比遗传算法和遗传-模拟退火混合算法可知，该算法优化了迭代次数，减小了计算误差，得到与实验值吻合的理论计算值。该研究提供了一种快速准确得到双向反射分布函数中未知参量的计算方法。

针对雨雾共存的特殊天气条件下现有大气衰减计算模型的不足,通过引入雨对雾的清除机制,对现有模型进行改进,提出一种更为精确、且能反映大气衰减动态特性的计算模型,并采用Monte-Carlo方法对激光在大气中的传输进行仿真分析。结果表明:降雨强度与雾的清除效应呈正相关,由于雨雾共存天气的雨量不大,随着雨对雾的清除,大气透射率逐渐增大;在降雨率为1 mm/h的情况下,平流雾的透射率大约在降雨5 h后趋于稳定,辐射雾则需要更长的时间。所提修正模型对无线光通信等相关领域中大气衰减的估计和评价具有参考意义。

对比描述米散射介质退偏特性的米勒矩阵分解法和米勒相关矩阵法, 讨论了完备的退偏特性描述参数。发现退偏介质在不含其他偏振特性时, 分解法和相关矩阵法得到的保偏系数与标准值的差异会随着介质主轴方向上的退偏各向异性程度增大而增大, 此差异最大时分别为0.16和0.07, 相对差值分别为33%和15%。由于米散射介质表现出退偏各向异性特征, 发现除了可用退偏各向异性系数表征此特性外, 保偏系数-熵图也可定性地反映介质的退偏各向异性程度。而当介质表现出其他偏振特性, 如双折射和旋光等效应时线性退偏会表现出各向异性特征, 此时还需引入线性退偏各向异性系数才可完备地表征米散射介质的退偏特性。

建立了生物组织的球状分形结构模型, 对生物组织的散射系数、各向异性因子、散射相函数进行了数值计算, 提出了利用散射系数和各项异性因子的双等高线反演分形维数和相对折射率的方法。计算结果表明: 在可见光波段生物组织的散射系数随波长的增加呈现幂函数衰减的关系; 各向异性因子几乎与波长无关, 在数值上与分形维数和相对折射率大小成反比。基于球状分形结构模型的散射相函数与Henyey-Greenstein(HG)相函数在前向(散射角<100°)具有良好的一致性, 同时较好的弥补了HG相函数在后向表征上的不足。

利用矢量Monte Carlo算法结合葡萄糖的旋光特性模拟了含糖混浊介质的背散射Mueller矩阵。数值模拟表明: 含糖混浊介质的背散射Mueller矩阵元素中除M11、M14、M41、M44外的其它元素花样均发生龙卷风状的不同程度的扭曲, 其中M24、M34、M42、M43的扭曲程度更为显著。研究发现M24、M34、M42、M43二维分布伪彩图的中心线为阿基米德螺旋线, 该螺旋线特征参数与混浊介质中的葡萄糖浓度成正比。这一结果将为基于背散射Mueller矩阵的葡萄糖浓度的非接触光学定量检测提供理论依据。

为了研究电介质随机表面散射特性的物理产生机制，采用基于Kirchhoff近似的Monte-Carlo方法进行了数值计算，得到了一组不同粗糙程度的电介质随机表面在s线偏振光入射时的散射光强度空间分布。所有表面自相关长度相同。结果表明,随均方根高度的增加,散射光强度空间分布呈现峰值衰减、展宽和向后向移动的特征。对这些散射特征进行分析可知，这些散射特征产生的主要因素是本地面元的斜率分布和本地反射率，它们共同影响了散射光强度分布曲线的轮廓特征。这一结果对其它情形下的粗糙表面散射特征产生机制的研究有一定参考价值。

通过实验研究了阈噪比(TNR)不变时信噪比(SNR)对激光雷达测距特性的影响，结果表明，信噪比远高于阈噪比时，激光雷达测距数据的离散分布服从正态分布，且随着信噪比的降低，测距数据离散分布逐渐偏离正态分布，呈现上升沿陡下降沿缓的形式；当信噪比接近阈噪比时，测距数据的离散分布又逐渐趋向于正态分布，但此时激光雷达的漏测率迅速增加。在此基础上，采用置信概率68.2%对应置信区间的一半来衡量激光雷达的测距精度，并给出了测距精度计算方法，它能更准确地表征激光雷达测距数据的密集度，具有更好的普适性。

为提高生物细胞形态检测速度和精度，以典型相位物体血红细胞为研究对象，结合离轴干涉、共焦显微和高速图像采集技术，提出了细胞光相位场定量测量方法，既有高测量精度又可以对流动的细胞进行实时放大观测。实验中采集单幅载频干涉图，运用快速傅里叶变换相位提取法和路径无关相位解包算法，最终获得血红细胞光相位场的定量分布，和已有的光学相位模型吻合得较好。分析表明，该系统分辨率达到亚微米量级。这种由细胞光相位场分布解构细胞形态的检测手段希望成为一种新的生物活体细胞实时在体检测和定量分析的方法。

为了研究多脉冲视频累积提高激光回波探测信噪比的途径的有效性，以噪声的统计特性为基础，理论分析了多脉冲视频累积提高激光回波探测信噪比的基本原理，并通过数值仿真和实验验证了视频累积提高激光探测信噪比的可行性。结果表明，当脉冲累积数N较小时，通过多脉冲视频累积可以提高激光回波探测的信噪比N倍，与视频累积结论一致；但当N大于一定值之后，由于系统带宽、A/D转换精度和采样率等因素的影响，使信噪比随累积脉冲数的变化明显偏离了N的指数规律。该研究为进一步通过多脉冲视频积累探测改善激光回波探测的信噪比，实现强噪声背景下的弱信号检测提供了理论和实验基础，对提高半导体激光测距系统的探测能力有着直接的指导意义。