为深入了解云粒子尺度谱和形状分布，研究云的微物理特性，研制了一种偏振云粒子探测器。该探测器可以同时接收粒子的前向和后向散射能量。通过前向的质量控制通道对探测区域进行控制，根据后向散射的水平和垂直通道获得粒子的退偏比。使用几何光学近似方法，对几种椭球和六棱柱粒子在探测器中的散射特性进行了模拟。模拟结果表明：粒子前向散射截面与其等效半径正相关；扁状粒子与长形粒子相比，前向散射能力更强，后向散射退偏比更小；椭球粒子退偏比一般要小于六棱柱粒子。所模拟的粒子散射数据验证了所研制探测器用于云粒子探测的可行性，并为其实现非球形粒子的尺度谱和形状探测提供了反演依据。

为直观、全面、系统地分析设备参数、水体光学传输特性和目标反射特性对水下激光主动成像的影响,为水下光电成像系统的设计优化提供可视化参考依据,建立了水下激光主动成像的可视化模型。该模型基于蒙特卡罗方法追踪整个水下成像过程中光子的状态变化,分别采用几何光学近似和随机碰撞原理模拟随机粗糙表面和水体悬浮粒子对光的散射,并通过高斯物像公式获得最终的仿真图像,实现水下目标激光成像的可视化。为验证仿真结果,对在实验室受控水箱环境中获得的实际图像与相同参数条件下的模拟图像进行比较。结果表明,仿真图像与实验图像具有相同的特征及变化规律,表明该模型较好地模拟了水下激光主动成像的过程,准确度较高、可用性较好。

为了研究白细胞对偏振光的散射特性, 运用几何光学近似理论修正偏振光传输的斯托克斯-穆勒矩阵元, 基于偏心球模型数值模拟了两束偏振化方向互相垂直的偏振光入射时, 不同形状、大小、折射率的无粒白细胞的散射光强空间分布以及散射特性与细胞结构的关系。不同条件下偏振光散射三维分布图像呈现不同的条纹特征, 表明分布规律与细胞模型的形体参量和光学参量具有相关性。散射光强的差值、比值、差和比的分析结果表明, 偏振光的后向散射反映了细胞内部更丰富的结构信息和光学信息。

为保证空间相机热设计中表面辐射换热计算准确可靠, 基于两种金属材料的光学常数, 结合Monte Carlo射线跟踪法应用几何光学近似对其粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究。分析了不同入射光波长、不同入射角度及不同表面粗糙度对金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF的影响。结果表明, 金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF分布具有明显的镜反射特征, 入射平面内的BRDF峰值随入射光波长增加而增大, 在本文研究的波长范围内, 钛表面的BRDF随入射光波长增大的增幅最高达到41.0%, 远高于铝表面的8.7%。当表面粗糙度较大时, 光子在粗糙表面内会经历多次散射, 粗糙表面内多次散射光子数比例随着表面粗糙度的增大而增加, 并且随着入射角度的增大具有增加的趋势。

对具有一维高斯分布粗糙表面的半透明介质层光谱散射，基于微面斜率法建立了考虑遮蔽效应的粗糙表面光谱辐射传递概率模型，采用蒙特卡罗法模拟光谱辐射能束在粗糙表面、半透明介质层介质与镜反射基底之间的多次反射、折射和吸收等传递过程。通过数值模拟，分析了介质层表面粗糙度、光谱光学厚度、折射率和基底反射率对介质层双向反射分布函数(BRDF)的影响。结果表明，表面粗糙程度不同时，反射峰值随入射角度呈现不同的变化趋势；表面粗糙度增加或折射率增大都将导致漫反射份额增大；介质层光谱光学厚度和基底反射率主要影响BRDF的数值大小，而对BRDF的分布形态影响很小。

基于梯度折射率(GRIN)球对平面波前向散射的几何光学近似(GOA), 推导出GRIN球对在轴高斯波束散射的GOA。详细推导高斯波束在GRIN球中的散射角和相位公式, 给出了算法实现步骤。在此基础上, 利用扩展后的GOA计算了粒子的散射强度分布, 并与广义洛伦兹-米理论(GLMT)的计算结果进行比较; 由于表面波的影响, 当波束的束腰半径大于等于粒子半径时散射强度分布与GLMT计算所得的结果相比存在误差。比较结果表明扩展后的GOA方法适用于束腰小于粒子半径的情况。对比GOA方法和GLMT的计算速度, 结果表明GOA方法具有较高的运算速度。

一直以来, 大气湍流对空间光通信影响的研究都是在柯尔莫哥洛夫(Kolmogolov)湍流理论的框架内进行, 该模型已经被人们广泛接受和使用。然而, 近年来国内外众多非柯尔莫哥洛夫(Non-Kolmogolov)湍流的实验报道则表明Kolmogolov湍流理论有时不能完全正确地描述大气湍流的统计规律, 尤其在对流顶层和平流层。为了全面了解大气湍流对空间光通信的影响, 研究Non-Kolmogolov湍流对光波传输的影响成为了首先要面对的问题。基于Non-Kolmogolov湍流功率谱密度, 运用几何光学近似方法推导了弱起伏条件下准直光束和聚焦光束的光束漂移方差, 并给出了简洁的解析表达式; 然后, 利用这一表达式进行了仿真分析。

在考虑遮蔽效应的情况下,应用射线追踪法对一维导体和介质的高斯粗糙面的散射系数进行了研究,并分别计算了考虑一次反射和二次反射的散射系数.同时,利用蒙特卡罗法生成一维高斯粗糙面,计算了考虑一次、二次反射和遮蔽时不同均方根斜率粗糙面的平均散射系数.

研究了几何光学近似区的相位起伏和幅度起伏.分三种模型:平面波、球面波和高斯光束,Tatarskii给出了平面波的结果,本文进一步给出了球面波和高斯光束的结果.对于平面波和球面波,考虑了在几何光学近似区,发射端的相位扰动如何影响接收端的幅度起伏;对于高斯光束,考虑了发射端自适应光学共轭相位对接收端的幅度起伏的影响.结论是:对于平面波,只有折射率不均匀媒质的相位起伏的曲率项对幅度起伏有贡献,只有发射端的相位扰动的曲率项能影响总体的幅度起伏;对于球面波,折射率不均匀媒质相位起伏的倾斜项和曲率项共同对幅度起伏有贡献,只有发射端相位扰动的曲率项能影响总体的幅度起伏;对于高斯光束,折射率不均匀媒质相位起伏的倾斜项和曲率项共同对幅度起伏有贡献,发射端的自适应光学共轭相位的倾斜项和曲率项共同作用于总体的幅度起伏.

首先根据JONSWAP海面功率谱模型数值模拟出二维粗糙海面,采用几何光学近似与基尔霍夫(Kirchhoff)标量近似计算了二维海面的光散射,计算中将每一面元看成一具有微粗糙度的粗糙面而不是近似地当作平面,并利用投影法与射线追踪法数值计算了一定入射角和散射角下的遮挡函数,有效地提高了海面光散射计算的精确性.最后利用太阳光的光谱辐照度数值模拟了海面的3 μm～5 μm红外散射图像,对于红外探测器抑制海面反射太阳光造成的亮带干扰具有一定的参考价值.