海面场景偏振特性研究对于红外偏振目标检测具有重要意义,海面建模是进行海面偏振仿真研究的关键环节。分析了海浪谱模型和空间采样点数对海面建模的影响,建立了将海浪谱的高频分量以指数形式叠加到低频分量的修正方法。将RadTherm软件与偏振度计算模型相结合,对比研究了所提方法与传统方法模拟生成海面的长波红外偏振特性。仿真结果表明,所提方法可以在低空间采样率下有效提高模拟生成海面的高度分布、微面元斜率分布与海面实测数据的吻合度。

分别采用PM谱、Jonswap谱和Elfouhaily谱建模获得海面模型,结合中国台站实测数据,利用软件计算了海水辐射和天空大气辐射,对比研究了不同海浪谱下,风速和探测角等因素对海面长波红外偏振特性的影响,仿真结果表明:海面长波红外偏振特性昼夜变化较大,PM谱在探测角为80°时,海面平均偏振度取得最大值,而Jonswap谱和Elfouhaily谱对应的探测角为70°。在相同条件下,Jonswap谱和Elfouhaily各微面元入射角分布相对集中,其平均偏振度高于PM谱。随着风速的增加,各微面元入射角的分布几乎对称地向两侧拓展,使得PM谱探测角为63°时,海面平均偏振度基本不受风速的影响,Jonswap谱和Elfouhaily谱对应的探测角为56°,当探测角大于这一特定角度时,偏振度随风速增加而减小,当探测角小于这一角度时,偏振度随风速增加而增加。因此选用不同海浪谱进行海面建模时,仿真得到的海面偏振特性也会有所不同,实际中应根据需模拟的海面场景特点来选择合适的海浪谱,以确保仿真结果的可靠性。

针对经典分形模型的功率谱在空间波数小于基波波数时不能满足正幂率的问题，提出了一种统计模型和归一化带限Weierstrass-Mandelbrot(WM)分形模型相结合的一维粗糙海面模型，确定了功率谱的闭式解，并且和Pierson-Moscowitz(PM)谱进行了比较，两者吻合较好。在双尺度法下推导了改进模型电磁散射系数的闭合解，对Longuet-Higgins模型、经典分形模型和改进模型的电磁散射系数的角分布进行了比较，发现3种模型散射系数之间的差距主要是由于大尺度波浪的不同造成的，证明了改进模型的有效性，并通过实测数据进行了验证。

针对分形海面模型的功率谱在空间波数小于基波波数时不能满足正幂率的问题，提出了一种统计模型和归一化带限Weierstrass-Mandelbrot分形模型相结合的二维海面模型，并比较了3种模型的海面轮廓。在满足基尔霍夫近似的条件下推导了改进模型电磁散射系数的闭合解。对统计模型、经典分形模型和改进分形模型的非相干散射强度系数的角分布进行了比较，具体分析了在微波波段内不同入射频率和风速下改进模型非相干散射强度系数的情况。分析结果表明，相比其它两种经典模型，改进模型的海面形状具有大尺度涌浪和小尺度张力波的特性，并且其的电磁散射情况更符合海面的实际情况。

大气激光通信具有抗电磁干扰能力强、保密性高等优点, 是船舶间通信的一个重要手段。根据船舶的运动方程, 采用线性系统理论分析, 给出了船载激光通讯机在风浪中的运动规律, 对于进一步实验研制船载激光通信系统有重要意义。

无线激光通信具有通信容量大、数据传输速率高、抗电磁干扰能力强、保密性高、功率消耗小、结构轻巧等主要优点,是未来船舶间通信的发展趋势。研究了船载无线激光通信系统中的模拟运动平台。该运动平台主要由水平移动台、垂直升降台、旋转台和摆动台四部分组成,分别模拟船舶在海浪中的四种摇荡运动:纵荡、垂荡、首摇和横摇。本文根据船舶运动方程,采用线性系统理论分析船舶在海浪中的摇荡运动规律,由海浪谱得到船舶摇荡运动谱,进而得到船舶摇荡运动方程。通过这四种运动合成出船舶在海浪中复杂的运动状态,从而在实验室条件下模拟出船舶在各种不同海况中的运动情况,为研究船载激光通信系统提供仿真实验环境。对该运动平台的操纵控制由计算机实现。

研究了任意形状凸粗糙物体对高斯光束的相干散射特性。由平面波谱展开法推导出粗糙面高斯波束散射场表达式，并根据物理光学近似和稳相法原理得到相干散射截面的理论公式。与平面波解不同的是，在公式中引入了波束因子这一表征波束作用的重要参量，该参量与束腰半径、束腰中心与物体中心距离和物体照射面积以及入射、散射方向有关。最后数值计算了1.06 μm激光波束对粗糙球的散射，分析了波束因子，介电常量和极化状态对红外激光相干散射截面的影响，重点讨论了波束因子的变化规律。分析表明，当波束半径远大于物体尺寸时，波束入射的结果可退化到平面波情况。