由于重力和向上气流的作用, 高速摄影显示较大的雨滴在降落过程中表现为一底部扁平、顶部圆滑的非球形对称体, 已有的模型中BC模型(由Beard和Chuang提出)被认为能准确描述雨滴的形状。本文利用沿降落方向旋转对称的扁椭球体和均匀球体模拟降落中的雨滴, 扁椭球体的短轴(旋转轴)与BC模型的相等, 长轴通过与BC模型截面积等效法确定; 利用T矩阵方法研究了水平取向的旋转扁椭球体和BC雨滴模型的散射特性, 利用Mie理论计算了均匀球的散射特性, 比较了半径分别为2 mm和3 mm大小的三种雨滴模型对94 GHz电磁波斜入射时的单次散射相矩阵, 以及对频率为30 GHz~100 GHz电磁波的单次散射反照率, 最后讨论了半径为0.5 mm~3.5 mm雨滴对35 GHz和94 GHz的后向散射函数。计算结果表明, 利用均匀球模拟雨滴将带来较大误差, 而利用截面积等效的旋转扁椭球体模型可以较好地模拟雨滴的散射特性。

基于分离变量法研究了平面波斜入射时, 空心无限长介质圆柱微腔的光学特性, 通过计算散射场展开系数分析了入射角度、空心部分的尺寸等因素对谐振廓线的影响。研究结果表明, 当空心部分的尺寸参数较大时将使微腔的形貌共振(Morphology Dependent Resonances, MDR) 峰值产生偏移, 当空心部分尺寸参数较小时, 圆柱仍然可以产生MDR共振, 且位置和均匀圆柱重合。当平面波斜入射时, MDR峰也会产生偏移, 并且随着入射角度的减小, MDR峰值减小, 直至完全消失。

基于回转椭球模型和有限长圆柱模型, 采用T矩阵方法研究了非球形生物气溶胶的单次散射特性, 计算了鼠疫耶尔森氏杆菌、土拉热杆菌二种生物气溶胶对氦氖激光的单次相矩阵、单次散射反照率以及不对称因子。根据矢量辐射传输理论, 研究了激光在生物气溶胶中传输的偏振散射特性, 基于累加-倍加法(adding-doubling method)求解矢量辐射传输方程, 并计算了非球形生物气溶胶对激光多次散射的斯托克斯参量。计算结果表明, 生物气溶胶的尺寸和形状对光的极化更为敏感, 因此在利用激光进行生物气溶胶微观特性探测和反演时, 利用激光的偏振散射特性为非常有效的方法。

通过测量空间辐射反演海雾气溶胶的微观特性是一种重要的遥感方法, 但是海雾对辐射的反射会受到海面背景的影响。 该工作研究了海雾与海面的耦合多次散射。 利用Mie理论研究了海雾气溶胶的单次散射特性, 利用辐射传输理论研究太阳光在无下垫面海雾中传输多次散射特性; 在基尔霍夫近似下研究了风驱粗糙海面的散射特性, 并考虑了海面的遮蔽效应, 得到了风驱海面随风速的反射函数。 根据累加法研究了海雾和海面的耦合散射, 计算结果表明海雾在有粗糙海面作为背景的情况下, 其整体反射有较大增强。

基于分离变量法研究了双层同心和偏心介质球微腔的光学特性，通过计算其散射效率和不对称因子分析了内核的位置、尺寸以及入射角度等因素对谐振廓线的影响。研究结果表明，当内外两层颗粒的折射率不同时，内核粒子的位置以及尺寸将对偏心球的形貌共振（MDR）产生影响。通过计算球形粒子的内场角度平均强度发现，当内核粒子的位置位于能量集中区域时，MDR的位置和廓线受入射角度影响较大。

提出将粒子群算法用于三片镜光学系统的优化设计。设计了关于曲率半径、透镜面之间的距离、玻璃折射率、系统长度等光学系统结构参数的光学评价函数，用此函数作为粒子群算法中的适应度函数，实现了对光学系统的自动寻优。给出了用粒子群算法进行三片镜光学系统设计过程实例，结果证明：用粒子群算法可以设计出球差、子午场曲、子午光线弥散值都很小的三片镜光学系统; 并且用该算法进行光学设计不需要知道系统具体的初始结构，克服了现有光学设计软件高度依赖具体初始结构的缺点，可以自由控制结构参数的搜索范围，从而提高光学系统设计的智能化程度。

基于分形理论，采用蒙特卡罗方法对随机分布的混合凝聚粒子的空间结构进行了仿真模拟。利用Bruggeman有效介质理论得到了占有不同体积份额黑碳的内混合凝聚粒子的等效复折射率。采用离散偶极子近似方法对随机分布混合凝聚粒子在内外混合状态下的吸收、散射和消光效率因子等消光特性参量进行了数值计算，深入探讨了混合方式、容积含量、入射波长以及基本粒子粒径和数量对混合凝聚粒子消光特性的影响规律。通过将所得数值结果与T矩阵方法的数值结果进行比较发现，两种数值方法计算的结果非常相近。结果表明，随机分布混合凝聚粒子的散射效率因子对混合方式非常敏感，消光效率因子对混合方式较敏感，而吸收效率因子对混合方式不敏感。随着凝聚粒子尺度参数的增大，混合方式对散射和消光效率因子的影响逐渐显著。内外混合方式下，随着黑碳体积比的增大随机分布混合凝聚粒子的吸收、散射和消光效率因子均近似线性增大，并且增大的幅度随着粒子尺度参数的增大而增大。

利用Bruggeman有效介质理论得到了占有不同体积份额杂质的团簇粒子的等效复折射率.采用离散偶极子近似方法对包含有不同化学成分的随机取向团簇粒子的散射相函数、消光、吸收、散射效率因子、单次散射反照率以及不对称因子等辐射特性参量进行了数值计算，深入探讨了掺杂量对随机取向团簇粒子辐射特性的影响.研究表明，掺杂对随机取向团簇粒子的辐射特性产生显著的影响，并且此影响随着粒子尺度参量的变化而变化.这一工作对研究多种化学成分组成的混合气溶胶的辐射及气候效应具有重要科学价值.

利用离散偶极子近似方法对粘附不同粒径、不同化学成分大粒子的复杂凝聚粒子的光散射特性进行了研究，数值计算了复杂凝聚粒子的散射强度和线偏振度随散射角的分布规律，分析了大粒子的粒径、化学成分对整个凝聚粒子光散射特性的影响。研究表明，凝聚粒子中大粒子的粒径和化学成分对整个凝聚粒子的光散射特性影响较大，此影响随着大粒子粒径的增大变得更加明显。

利用离散偶极子近似方法研究卷云中随机取向六角形冰晶粒子的取向比对散射特性的影响，数值计算了在小尺度范围内随机取向六角形冰晶粒子的散射特征量，包括散射相函数、消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率和线偏振度。研究表明：取向比对随机取向六角形冰晶粒子散射特征量的影响比较明显，并且此影响随着粒子尺度参数的变化而变化，与入射波长无关；相同尺度参量和不同取向比粒子的散射相函数的角分布曲线均有一个交点，并且随着粒子尺度参量的增加，交点所对应的散射角度值逐渐向小角度方向移动。此研究结果为气溶胶粒形检测和识别提供了理论依据。