均匀介质构成的圆柱被激光照射后，散射光干涉形成一阶彩虹图像，根据彩虹的频谱结构，可以实现圆柱直径的测量。结合理论及实验对双层圆柱双一阶彩虹的光强分布及频谱特性进行了研究。基于Debye 理论，通过数值计算几种干涉结构的频谱，获知双一阶彩虹频谱中4 个特征峰的成因。将与均匀圆柱叠加波结构频率成因相似的特征频率F₃ 进行单独分析, 发现F₃ 与双层柱体的外直径存在线性依赖关系；而且随着圆柱内外层折射率、内直径等参数的变化，直线斜率发生变化。F₃与内直径无明显的线性依赖关系。通过构建实验系统拍摄了双一阶彩虹，并对其频谱进行了研究。由于双层圆柱中内直径、外层折射率对彩虹图像影响较大，在这两个参数确定的前提下，由F₃ 确定的外直径的相对误差约为2%。

基于几何光学理论及Debye理论, 研究圆形截面微通道这一双层圆柱产生的双一阶彩虹现象。由于全反射现象, 双一阶彩虹并非始终存在, 故通过数值模拟, 得出内外径比的临界值来判断双一阶彩虹的存在性。当双一阶彩虹存在时, 双一阶彩虹中的β彩虹总是可被观察到; α彩虹在某些情况下会因光强较弱而被淹没在以二阶彩虹为主的其他散射结构中。研究发现α彩虹位于二阶彩虹主峰右侧时, 其可被观测到。为此分析α彩虹与二阶彩虹两者主峰散射角重叠这一临界情况, 进而提出判断α彩虹能否被被观测到的方法。最后, 构建实验系统, 以充满去离子水的高硼硅玻璃毛细管为对象进行实验研究, 通过CCD相机拍摄彩虹图像。结果表明, 毛细管内径为550 m、外径为600 m时, 其内外径比大于上述临界值0.7485, 故双一阶彩虹存在。但是由上述判断方法得出α彩虹无法被观测到, 这一结论与仅能从拍摄图像中获得β彩虹结构的现象相符。

对单色平行光照明玻璃微珠产生的散射光强分布，采用Debye理论对其分析时发现位于球形粒子左侧的探测器上接收到的k阶彩虹光强分布主要由衍射光、直接反射光和k次内反射光的相互叠加形成，而位于球形粒子右侧的探测器上接收到的k阶彩虹光强分布主要是衍射光、直接透射光和k次内反射光的叠加形成；当入射光波长一定时，玻璃微珠的折射率大小将影响散射光强分布中的最小偏向角在探测器上的位置，而玻璃微珠直径不影响最小偏向角位置，但影响散射光强的周期。实验分析了折射率和半径对最小偏向角附近一次彩虹和二次彩虹散射光强分布的影响，并与几何方法进行了比较，结果与运用Debye理论数值模拟结果相吻合。这说明提出的假设具有合理性，因此光经玻璃微珠散射形成的最小偏向角可用于其折射率的测量。

对基于彩虹现象的光学颗粒测量进行研究,提出了一种新的参数反演模型和算法,可同时测量颗粒的粒径和折射率。新算法基于经验模态分解的去噪技术,并采用一种特征点提取技术和基于Debye理论的反演最优点搜索算法,能较精确的迅速找到反演最优点。数值模拟结果表明,当信噪比降至5 dB时,直径反演最大误差小于10％,折射率反演最大误差小于0.1％。对不同温度下自由下落的水滴进行实验研究,水滴由波长532 nm功率14 mW的连续激光源照射, 产生的彩虹光线经大口径透镜收集,被位于透镜焦平面的CCD相机接收。实验结果同样表明此测量方法具有较好的精度和可靠性。