为解决传统偏振双向反射分布函数计算复杂、渲染实时性差的问题，基于微平面理论，提出一种更快速的偏振双向反射分布函数模型，并完成全链路的成像仿真。依据P-M海浪谱生成海面，设计了适用于偏振仿真的三维数据存储结构，讨论了探测器接收到的有效辐射并建立辐射控制方程，提出用宏观面元法向与探测方向中间向量代表微观面元平均取向的假设，改进传统P-G偏振双向反射分布函数模型。建立了海面与舰船的定向半球偏振反射率与发射率模型，最后对探测器进行建模，生成海面与舰船的图像，计算出偏振度图像，并与相近条件下获取的实拍图像进行了对比。结果表明，基于该仿真模型得到的仿真图像，与相近条件下获取的实测图像有良好的匹配度，证明了模型的准确性。

通过气辉成像仪对电离层气辉进行探测, 能够反映电离层中电子总含量、 等离子体泡分布等特性, 是有效的电离层探测方式之一。 电离层的原子分子在白天吸收太阳辐射激发到较高能态, 在夜间以气辉的形式将能量辐射出去, 辐射强度与所参与反应的电离层成分密度等密切相关, 因此气辉是用来观测电离层很好的示踪物。 天基气辉成像方法具有全球范围观测的巨大优势, 为了推动天基成像仪的设计研制和参数优化, 丰富和扩展电离层探测手段, 需要对全球气辉强度进行成像仿真分析。 该研究主要工作: (1)分析了电离层夜间630 nm光化反应过程, 设计了一种气辉成像仿真分析方法, 该方法对630 nm辐射强度进行计算, 分别获得了太阳活动高年和低年内四个不同季节的气辉单光谱信号源强度分布, 为设定探测指标提供理论依据; (2)开展了630 nm气辉天底成像仿真研究, 包括成像链路分析、 信噪比分析, 并使用一个时间延时积分成像的典型成像仪参数, 开展结合卫星运行轨道的扫描成像仿真。 本文主要结论: (1)夜间630 nm单光谱气辉强度与日间太阳辐射强度关系密切, 太阳活动高年夜半球平均辐射强度为115 Rayleigh, 太阳活动低年夜半球平均辐射强度为50 Rayleigh, 辐射大小和分布符合卫星载荷GLO-1和国际空间站IMAP任务的实际观测结果; (2)典型参数成像仪天底观测幅宽达到245 km, 气辉水平分辨率达到1 km, 对强度大于50 Rayleigh气辉成像的信噪比优于10, 在太阳活动高年能够清晰观测电离层气辉全球尺度结构, 在太阳活动低年能够观测低纬地区电离层气辉结构。 该研究结果可为天基电离层气辉成像探测提供理论依据, 也可为其他辐射波段的气辉观测和成像仪参数设计优化提供参考。

地球临边场景仿真是卫星红外探测领域的关键组成部分，是空中高速目标远距离探测场景模拟的重要基础。临边观测下的地球表面近似于球面，传统的基于海洋三维形态并计算表面辐射特性的海洋红外图像仿真方法不适用。云层的厚度和高度对红外辐射传输特性的计算有重要影响，视云层为粒子团的处理方法会大大降低仿真的计算速度。因此，研究了海洋和云的红外辐射模型、地球-空间坐标系与红外相机坐标系的转换关系和大气传输模型，提出地球临边场景红外遥感成像仿真方法。根据场景组分的差异，分别建立海洋分布模型、多层云分布模型，并根据海洋和云层的红外辐射与反射特性，构建地球临边场景红外辐射模型。通过地球-空间坐标系与相机坐标系的转换关系，利用大气传输理论和传感器效应仿真，计算各观测角度的地球临边场景卫星遥感红外仿真图像。实验结果表明：仿真得到的红外图像画质清晰，符合地球临边场景红外辐射特性，其平均拉普拉斯算子和可达0.15，平均灰度梯度可达0.70。

微球超分辨显微成像技术能够突破衍射极限并成倍提高传统光学显微镜的成像分辨率。因其具有成像系统简单，可实时成像，无需荧光染料标记，能在白光照明条件下工作，且可与市场上成熟的显微镜产品相兼容等优点，具有重要研究价值与广阔应用前景，发展潜力巨大。该技术发展至今已取得了众多令人瞩目的研究成果，但现阶段的研究主要集中在微球超分辨成像规律、成像质量的提高、微球的操控方法上。而针对微球透镜的超分辨成像机理与模型，目前尚未形成完善统一的认知与可靠一致的解释。在此背景下，文中梳理归纳了微球透镜近场聚焦及远场成像机理、数学模型、仿真技术等方面的研究工作，分析现有工作的意义与所存在的不足，指出该领域需要着重解决的问题，并对微球成像技术未来的发展方向给予展望。

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。

海洋背景的仿真是海面目标场景仿真的关键环节，是海洋目标-背景耦合作用模拟的重要基础，决定了仿真图像中目标与背景差异特征的正确性和真实性。高分辨率遥感成像下，海面细节特征突显，以往视海表为均匀辐射面的处理方法给高分辨率海洋场景仿真造成较大误差。重点研究了海面三维形态、多组分分布与海水方向反射特性的耦合作用和辐射模型，提出了海面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，根据海面组分分布的不同及不同位置海面法向的不同，修正了低分辨率下的海洋BRDF模型，使其满足高分辨率卫星图像的仿真应用，计算出不同组分的海面的方向反射数据，并将其与海面三维模型关联，构建了亚米级海面三维辐射模型，通过光线追踪方法建立海面零视距辐射场，并经过大气影响和传感器效应，模拟不同海况条件下卫星遥感图像。结果表明：将ZY3-02卫星实测海面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3.7%，标准差误差为9.9%，可以较真实地模拟高分辨率卫星成像下的海洋背景。