光在三维非均匀介质传输的过程中，光波的（偏折、偏振、相位、方向、振幅、波长等）多种特征要素能够反映出光线传输过程的大量信息，并且非均匀介质对光的吸收、散射、折射、反射等过程同样会影响光的传输规律，因此开展对三维非均匀介质中的光传输多要素的分析研究具有重要意义。本文选取大气激波绕流场、海水两类典型三维非均匀介质作为研究对象，分别对大气激波绕流场以及非均匀海水介质中的光传输过程进行了分析研究，获得了光在两类非均匀介质中多特征要素及变化规律，研究结果对发展新型探测、跟踪技术具有重要价值。　　基于Runge-Kutta光线追迹法建立了三维非均匀介质中的光传输模型。对于大气激波绕流场中的光传输过程，采用Runge-Kutta光线追迹的数值方法进行光学建模，研究并总结了高温、高压等复杂环境下非均匀大气介质的光学折射率模型，提出了三维非均匀流场的折射率梯度插值方法，并通过几何光学理论验证了Runge-Kutta光线追迹模型的可行性和准确性。　　高速飞行器大气激波绕流场的光线偏折特性及纹影成像研究。通过Fluent软件模拟获得了高速飞行器在典型工况下的大气激波绕流场，基于流场网格中任意一点的折射率和折射率梯度，采用Runge-Kutta光线追迹法对激波绕流场中的光线偏折轨迹进行数值模拟，并分析了飞行马赫数、飞行海拔高度、入射光波长以及初始入射角度对光线偏折程度的影响，同时完成了某高速飞行器在城市、沙漠、海洋等背景环境下飞行时的激波纹影结构的灰度成像。　　典型区域非均匀海水介质中的激光传输特性研究。建立了激光在海水中传输时光子与悬浮粒子的碰撞散射、水体的吸收、大气/海水界面的折射和透射、以及碰到海底、目标表面的朗伯反射等过程的传输模型。采用蒙特卡罗法模拟了激光在三类典型海水中回波信号的时空特性，研究了激光光子的不同散射次数对总的回波信号的影响，结果表明激光的单次散射对总的回波信号贡献最大。分析了中国近海四大海域清洁海区的水体特征，对比研究了不同海域水体对激光水下探测过程的影响。对于受扰动海水中大量存在的飞沫和气泡，根据Mie散射理论获得了飞沫层和气泡层的吸收和散射系数，并采用对飞沫、气泡浓度随机生成的方法，分别研究了飞沫层和气泡层的吸收、散射特性对激光后向回波信号时空特性的影响。