We investigated the relationship between chromophore concentrations in two-layered scattering media and the apparent chromophore concentrations measured with broadband optical spectroscopy in conjunction with commonly used homogeneous medium inverse models. We used diffusion theory to generate optical data from a two-layered distribution of relevant tissue absorbers, namely, oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, water, and lipids, with a top-layer thickness in the range 1–15 mm. The generated data consisted of broadband continuous-wave (CW) diffuse reflectance in the wavelength range 650–1024 nm, and frequency-domain (FD) diffuse reflectance at 690 and 830 nm; two source-detector distances of 25 and 35mm were used to simulate a dual-slope technique. The data were inverted using diffusion theory for a semi-infinite homogeneous medium to generate reduced scattering coe±cients at 690 and 830nm (from FD data) and effective absorption spectra in the range 650–1024nm (from CW data). The absorption spectra were then converted into effective total concentration and oxygen saturation of hemoglobin, as well as water and lipid concentrations. For absolute values, it was found that the effective hemoglobin parameters are typically representative of the bottom layer, whereas water and lipid represent some average of the respective concentrations in the two layers. For concentration changes, lipid showed a significant cross-talk with other absorber concentrations, thus indicating that lipid dynamics obtained in these conditions may not be reliable. These systematic simulations of broadband spectroscopy of two-layered media provide guidance on how to interpret effective optical properties measured with similar instrumental setups under the assumption of medium homogeneity.

在星载激光雷达的设计、研制和数据反演过程中，正演模型起到至关重要的作用。建立了一套星载激光雷达探测云与气溶胶的正演模型，整个模型具有模拟冰云场景、气溶胶场景等复杂多场景的能力，由8个子模块构成。针对532 nm通道的模拟结果表明：在深对流场景中的云层深厚，信号衰减严重，仅能获取云顶分布信息；而在冰云和气溶胶的场景中，需要考虑云层的微物理特性对气溶胶有效探测的影响。望远镜直径、卫星轨道高度和激光器单脉冲能量对信噪比的影响结果可以为星载激光雷达的参数设计提供支持。与CALIOP/CALIPSO实际探测结果的对比表明，正演模型计算的衰减后向散射系数与实际观测结果在结构分布上基本一致，但由于CALIPSO反演算法的不确定性及与正演模型参数设置上的差异性，在多廓线平均值的对比中，在不同高度上存在一定的差异。

在基于红外高光谱辐射数据进行大气遥感方面的研究中, 准确模拟红外高光谱数据是很重要的一步。 分析了红外高光谱辐射仪的测量原理, 建立了基于Atmospheric Radiation Transfer Simulator(ARTS）的考虑仪器干涉图截断与离散化处理过程的正向模型。 在该正向模型中, 首先采用高光谱辐射传输模式ARTS模拟得到离散化理想光谱, 通过逆傅里叶变换将理想光谱转化为干涉图, 对干涉图加窗截断处理, 模拟仪器响应函数对干涉图的影响, 最后采用傅里叶变换得到仪器测量光谱。 在这一过程中, 窗口函数的选择取决于仪器的干涉图截断方式。 未经过切趾处理的仪器, 其对应的窗口函数为矩形窗口; 经过切趾函数处理, 可以减少干涉图截断造成的能量泄露现象。 逆傅里叶变换与傅里叶变换过程中必须满足Nyquist采样定律。 基于已建立的正向模型, 模拟了Atmospheric Emitted Radiance Interferometer (AERI)在Southern Great Plains (SGP)站点的108组晴空辐射数据, 并与AERI的实测结果进行比较分析, 结果发现理想光谱与AERI实测光谱在吸收线上差异较大, 最大残差达到35 mW·sr-1·m-2·(cm-1)-1（简称RU）以上, 增加干涉图截断过程后, 模拟光谱与实测光谱的最大残差减小到10 RU以内。 截断过程的增加对模拟光谱的精度有明显提高, 尤其在吸收线上, 模拟光谱明显被平滑, 模拟精度显著提高。 进一步分析六种常用窗口函数截断处理的结果与AERI实测数据的残差, 结果发现, 模拟过程中选择窗口函数为矩形窗口时, 模拟光谱与AERI实测数据残差最小, 基本可以约束在5 RU以内, 确定了AERI的干涉图截断方式可以近似看作矩形截断。 另外, 在理想光谱转换为干涉图的过程中, 理想光谱分辨率的选择决定了干涉图信息的采样率以及ARTS的计算效率, 因此综合考虑模型计算精度和模型计算效率, 确定最佳的理想光谱分辨率对于提高模型计算效能是非常必要的; 基于此, 本文模拟了不同理想光谱分辨率下的仪器测量光谱, 对比分析了模拟光谱与AERI实测光谱的残差分布, 并讨论了光谱分辨率对模型计算耗时的影响。 结果表明, 对于AERI, 在对应的正向模型中设置理想光谱分辨率为0.241 1 cm-1时, 可在保证模型准确度的前提下, 最大化模型计算效率。

OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂, 决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化, 甚至气候变化。 为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演, 需要构造正演模型, 模拟得到仪器接收到的大气中的Ａ２Σ＋－Ｘ２Π(０, ０) 309 nm波段的太阳共振荧光发射信号。 本文基于分子光谱能级跃迁理论计算得到OH(0,0)振动能级上的荧光发射率因子g, 结合辐射传输模型SCIATRAN模拟出的太阳辐照度和观测视线路径上的OH柱量, 模拟出OH荧光发射光谱, 叠加上大气背景光谱并卷积仪器函数, 最终模拟得到仪器接收的包含OH浓度信息的光谱。 模拟结果与国外在轨仪器MAHRSI(Middle Atmosphere High-Resolution Spectrograph Investigation), SHIMMER(Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)的在轨实测结果一致性较好。 还分析了影响模拟结果的因素, 在之后的正演过程中加以修正, 使正演模型更接近实际辐射传输过程。

LED智能光源具有色光可调的特点, 其内置微处理系统可以通过无线数据传输等技术调整发光方式, 控制光色及发光强度, 进而实现照明光源的动态调节, 因此特别适合于博物馆展陈、 家居照明等智能化照明设计环节。 现阶段, 鉴于LED光源智能混光技术尚未普及, 目前绝大多数商用LED智能光源在混光控制方面仅局限于设备制造商所设定的几类固定模式, 无法充分发挥智能LED光源色光可调的技术优势。 针对此问题, 提出了一种基于BP神经网络以及有效集算法的LED智能光源混光呈色模型构建方法, 实现了LED智能光源控制信号与对应发光光谱辐亮度分布之间的双向高精度映射。 研究中首先提出了一种基于BP神经网络的LED混光呈色预测方法, 实现了由LED智能光源驱动控制值向光源实际发光光谱辐亮度分布的准确预测; 在此基础上运用有效集算法实现了由光源实际发光光谱辐亮度分布向LED智能光源驱动控制值的反向高精度预测。 实验结果显示, 所提出的方法整体建模误差显著小于人眼视觉可分辨阈值(CIEUCS Duv值可低至0.002 7), 达到了较为理想的建模效果。 该方法的提出, 将为当前LED智能光源制造以及现有商用LED智能光源的二次开发与优化提供有效的理论与方法支撑。

针对辐射率的漫射近似、P3近似等正向模型在描述小源探距离及低约化反照率介质下光子传输时存在的局限性，推导了用于小源探距离低反照率无限媒质中各向同性稳态点光源下辐射传输方程在P5近似下的解析解，并将P3近似、P5近似计算的辐射率分别和蒙特卡洛模拟结果进行对比.结果表明:在高约化反照率（0.97）条件下，P5近似和蒙特卡洛模拟结果的最大相对误差为13.17%，而P3为41.57%.在低约化反照率（0.69）条件下，最大相对误差分别为27.78%，286.70%.在其他光学参数下，P5近似与蒙特卡洛模拟的最大相对误差均小于P3.在P5适用的范围内舍弃最大特征根相关项，可以简化解析表达式，提高计算速度，且对P5的计算结果影响甚微.稳态辐射率测量系统仿体验证表明，在高、低约化反照率介质中的小源探距离下，由P5近似计算得到的辐射率和实验测量结果相符.

采用大气逐线辐射传递计算模型前向参考辐射模型(RFM)，计算了高层大气在局地热力平衡状态(LTE)与非局地热力平衡状态(non-LTE)条件下主要大气分子红外光谱带的临边辐射。以定义的相对偏差为指标，分析了白天与夜间情况下non-LTE大气对红外临边辐射的影响，确定了LTE条件的大气高度适用范围，并对白天与夜间的临边辐射进行比较。分析结果表明，高层大气在non-LTE与LTE条件下的红外临边辐射有显著偏差，白天太阳抽运作用会增加这两种条件下的偏差。在白天与夜间环境下，部分光谱带的辐射会有明显差异。除白天CO2 4.3 μm光谱带外，其他光谱带在60 km以下non-LTE与LTE不会有较明显偏离，其中CO2 15 μm光谱带能达到80 km左右。分析结果可为高层大气辐射计算模型提拱理论基础。

超光谱技术是高精度反演大气二氧化碳浓度的基础,针对超光谱技术的特点和大气二氧化碳浓度反演精度的 要求,在探索大气二氧化碳的吸收特性后,选择了一个适合二氧化碳浓度探测的波段进行研究。根据反演原 理和目前所使用的反演方法,利用前向模型LBLRTM着重分析如下四个敏感因素对反演精度的影响: 光谱分辨率、海拔高度、二氧化碳初始浓度和地表反照率。研究结果表明,在大气二氧化碳浓度的反演 过程中这些因素对精度的提高存在一定的影响。

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应，提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上，研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响，并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对，验证方法的正确性.研究表明：在均匀组织体内，当离散角度达到一定数量时，由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感，而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.