Rydberg原子具有极大的极化率和跃迁偶极矩，利用谐振区的Autler-Townes分裂效应和非谐振区的交流斯塔克（AC Stark）偏移效应，可以实现超宽带电磁信号无损可溯源的精密测量与通信。在室温铯原子气室中，通过改变耦合光波长，选用70S1/2、42D5/2和30D5/2三个不同的Rydberg能级，分别测量了远失谐区（2 GHz）和谐振区（9.953 GHz和29.54 GHz）电磁信号的空间电场强度，并由此计算出环境散射和气室扰动所产生的衰减因子。同时，实验展示了Rydberg原子在宽带频率范围内的通信应用潜力，研究了远失谐区（2 GHz）、近失谐区（9.5 GHz）和谐振区（29.54 GHz）电磁信号在不同调制频率下幅度调制和频率调制的信噪比（SNR），并在此基础上，测量了调制频率为10 kHz的幅度调制信号在100 kHz~40 GHz超宽带频率范围内的解调信号SNR。实验结果表明，Rydberg原子可以突破传统电子学传感器的工作带宽限制，在超宽带连续频谱范围内具有电场感知与通信能力。

碱金属原子气室是原子电场计、原子陀螺仪、磁力计、原子钟等原子传感器的基础核心部件，在气室玻壳上进行光路集成是实现原子传感器小型化的有效途径之一。本文针对原子传感器中光学元器件分立、光利用率不高的问题，基于广义斯涅耳定律和等效介质理论，设计了一种超表面结构，可实现不同波长激光的光束分离和高效透过，与原子气室集成，便于透过原子气室的光信号检测和后续处理，提高原子传感器的集成度和便携性，为其小型化提供可行性方案。以双光子激发制备铯里德堡原子为例，使用FDTD软件进行仿真分析，结果表明，超表面结构对510 nm耦合光偏折角约为6°，对852 nm探测光基本不产生影响，两束激光的透过率均在96.3%以上。

空间光的相位调控对于光学相控阵以及焦距可调透镜等的应用具有重要意义。氧化铟锡(ITO)是一种透明金属材料，其介电常数可以通过外部电压进行高速调制，因此被广泛应用于电光调控设备。本课题组基于ITO薄膜和金属谐振器设计了一种谐振增强结构，通过静电调控ITO的载流子浓度，使入射光与超表面发生临界耦合，显著提升了结构对电磁特性的调控能力，实现了高于330°的相位调制范围。利用相位调控单元构建光学相控阵，实现了波束的动态偏转；同时设计了焦距可调透镜，通过仿真实现了焦距为10，15，20 μm的可调聚焦效果。所设计的相位调控超表面在光学探测、传感、成像等领域具有重要的应用价值。

高光谱遥感为冬小麦氮含量的实时估测提供了技术途径, 然而在实际探测过程中, 接收的信号不仅包含植株叶、 茎等器官内部发生多次散射后的光辐射, 也包含在叶片表面发生镜面反射而没有进入器官内部的光辐射, 原理上只有前者可反映植株的生化组分信息, 因此目前常用的反演算法存在较大不确定性。 拟采用增加偏振测量的方式, 区分与上述两种情形对应的非偏振光和部分偏振光, 通过构建相应的反射率表征因子, 以评估剔除部分偏振反射分量对植株氮含量估算的影响。 实验获取了冬小麦拔节、 挑旗、 开花、 灌浆四个典型生长期共计48组偏振高光谱与氮含量测量样本, 分析后表明, 剔除偏振反射后, 反射率光谱与氮含量的相关性在可见光波段有较明显的提升, 而常用的多个植被指数对氮含量的估算精度有小幅提升, 且不同生长期对应的最优植被指数不同。 上述结果证明了通过测量叶表偏振反射而提升冬小麦氮含量高光谱估算方法的有效性与稳定性, 为提升植被生化组分遥感反演的精度提供了参考。

表型分析对于理解植物基因型与环境之间的关系非常重要, 开发高效且成本低的相关技术是精准农业等领域的一项典型需求。 其中, 代表性的RGB-D设备Kinect已用于植物表型分析, 但其应用潜力尚未被充分挖掘。 本文首先梳理比较了Kinect表征三维结构的三种原理方式, 即点云基于深度图像（DI）生成, 通过运动恢复结构（SfM）从彩色图像获得, 以及合并DI和SfM点云生成融合数据（MD）, 并以FARO X330激光扫描仪获取的基准数据评估三种方式的性能。 以植物玉簪为例的分析结果表明, 对叶面积的估算DI点云的准确度最高, 对叶片圆形度和偏心率的反演MD点云表现最佳, 对叶倾角的反演SfM点云的性能最好。 三种方式的结果差异源于它们表征不同结构的表现不同, 对于叶面积的反演, SfM表征叶片相对不完整, 而MD重建叶片的边缘存在不平滑的现象, 导致两者精度不足; 对于表征叶片的几何特征, 通过合并DI和SfM数据生成的MD点云实现了信息增强的效果, 使得其表现优于DI和SfM点云; 叶倾角对深度测量的准确性更敏感, 由于Kinect测量深度过程中通常存在误差, 导致DI和MD点云反演精度偏低, 而SfM点云仅通过彩色图像生成, 因此其表现出反演叶倾角的最佳性能。 性能比较与原因分析表明, 三种方式对不同的结构特征有不同的适用空间, 它们的集成有助于提升Kinect用于植物表型分析的整体性能, 由此形成一种基于Kinect的移动表型高效分析技术; 此外, 提出的叶片几何描绘（LGD）模型可较好拟合叶片轮廓, 有助于恢复部分被遮挡叶片的几何形态。 提出了一种基于Kinect的低成本但高效的移动型三维植物结构表型分析技术, 这对于促进作物监控、农业增产等有基础技术意义。

将美国NPP卫星可见光红外成像辐射仪(Visible Infrared Imaging Radiometer, VIIRS)的中红外通道(中心波长3.697 μm)作为检验基准, 使用菲涅尔反射定理建立中红外和被验证通道的海表反射率关系, 对四个太阳反射通道(中心波长位于0.672、0.862、1.238和1.602 μm)进行了基于海水表面耀斑区反射率精度验证并深入分析该方法的不确定度.结果表明:VIIRS四个通道的验证不确定度分别为3.8%、3.9%、4.1%和4.1%, 这一方法可实现VIIRS部分光学通道的在轨较高精度验证.