为了研究激光散斑对目标探测的影响, 采用物理光学近似方法, 进行了平面波激光照射在粗糙球体和圆锥体目标时对散射场统计特性的理论分析, 推导了粗糙体目标散射场量的二阶统计矩,数值计算了粗糙球体和锥体的非相干散射分量比随粗糙度、散射角、半径及目标材料的变化情况。结果表明, 散射角的变化对粗糙球体散射非相干分量比有影响, 粗糙度变大, 目标的非相干分量占总散射分量的比重越大; 随着粗糙球体半径变小, 球体表面越粗糙; 圆锥体目标散射非相干分量比的峰值位置随粗糙度变化而不同, 但其峰值均位于镜反射方向上; 金属类材料比非金属抛光铝材料的非相干分量比小, 且半径变化与非相干分量比成正比。该研究结果可为更复杂目标激光散射特性和激光散斑探测、识别的研究提供一定的参考价值。

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射, 散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性(如粒子尺寸参数、 浓度、 形态), 因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。 由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性, 以群雨滴粒子为例, 采用T矩阵理论, 利用紫外光直视和非直视单次散射模型, 分析了入射光波长、 群雨滴粒子形态、 降雨强度、 粒径大小与散射光强之间的关系。 并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系, 以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。 通过理论及仿真分析, 得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗, 不同降雨强度、 风切变率和粒径下的散射光强分布。 仿真结果表明: 在紫外光直视与非直视通信方式下, 降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差, 即路径损耗增大。 当粒径分布已知时, 随着降雨强度的增大, 衰减系数增大, 路径损耗增加, 且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。 随着降雨强度、 风切变率和粒子粒径的增大, 散射光强曲线整体呈下降趋势, 其中, 降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。 相同通信距离时, 不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小, 当散射角继续增大到90°时, 有效散射体体积逐渐减小, 接收到的光子能量减小, 暴雨中的散射光强衰减程度最大。 相同降雨强度下考虑风切变时, 相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。 除此之外, 还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响, 结果表明当粒子粒径分布相同时, 椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。 根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成, 为粒子测量提供理论基础。 分析降水中群雨滴粒子的光散射特性, 为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据, 为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。

紫外光与雾霾粒子发生散射后, 其散射信道特性能够反映雾霾粒子的相关物理信息, 利用无线紫外光单次和多次散射信道模型, 采用Mie散射和T矩阵理论分析了霾粒子在不同形态和浓度下的紫外光散射信道特性, 以及散射角对散射光强的影响, 并完成了紫外光在雾霾环境下的实测。 通过理论及仿真分析, 得到了不同霾粒子形态下的紫外光通信路径损耗以及光强分布。 结果表明: 紫外光直视通信方式下, 路径损耗随着霾粒子浓度的增大而增大, 且通信质量差于晴朗天。 非直视通信方式中, 在短距离通信时, 高霾浓度下的路径损耗小于中低霾浓度, 然而随着通信距离的继续增大, 高雾霾浓度下的通信质量急剧下降, 低霾浓度下通信质量最终达到最优, 且距离为200 m时通信质量能优于晴朗环境。 当通信距离相同时, 三种雾霾浓度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小, 当散射角继续增大并超过90°时, 低霾浓度下的散射光强最大。 主要原因是虽然散射角继续增大, 但是有效散射体体积逐渐减小, 因此低霾浓度下的散射光强较大。 且当粒子粒径相同时, 球形粒子的衰减较非球形粒子大。 雾霾环境下实测结果与仿真结果相类似, 证明了仿真结果的正确性, 并在一定程度上证明了实际大气中雾霾非球形粒子多于球形粒子。

水体中悬浮颗粒物的光散射特性是影响基于直接光谱法水质检测结果准确性的一个重要参数。 依据T矩阵模型, 研究了紫外-可见光照射下水体中非球形悬浮颗粒物的光散射强度特性。 以藻类和泥沙类颗粒物为例, 构造了椭球、 圆柱和广义Chebyshev三种非球形粒子光散射模型, 分析了入射光波长、 悬浮颗粒物形状、 复折射率与相对散射光强之间的关系, 计算了不同悬浮颗粒物相对散射光强随波长、 颗粒物尺寸以及旋转角变化的情况。 数值仿真结果表明, 不同种类非球形悬浮颗粒物的散射光强度均呈现出显著的变化。 在200～800 nm波长范围内, 随入射波长的增大, 粒子几何尺寸所带来影响逐渐减小, 散射特性主要由复折射率决定。 当粒子尺寸小于0.2 μm或接近1 μm时, 在入射光波长位于紫外或红外的条件下, 散射光强度较大且呈现强烈振荡; 而当粒子尺寸r=0.3~0.9 μm, 散射强度较稳定, 接近于0且受到入射光波长的干扰较小。 这可为提高紫外-可见吸收光谱法的检测精度、 抑制散射干扰提供一定依据。

降低或减少水体中悬浮颗粒物的光散射影响是直接光谱法检测水质化学需氧量(COD)的关键技术问题。为此，依据米氏散射理论，采用改进型连分式结合后向递推算法，研究了紫外-可见光照射下水体中藻类和泥沙类悬浮颗粒物的光散射特性。通过构造球形粒子的光散射模型，在入射光波波长为200~1000 nm、悬浮颗粒物尺寸为1~200 μm 的条件下，分析和计算了散射光强度和角度的变化规律。仿真结果表明：当改变粒子尺寸，调节入射光波长时，两种悬浮颗粒物的散射光强与散射角度呈现显著变化，这为进一步提高基于紫外-可见吸收光谱法的水质检测精度和降低散射影响提供了依据。

通过从路径损耗的理论模型中分离角散射强度变量，建立了描述散射角演化的条件概率矩阵，用以分析长距离非视距(NLOS)大气红外光散射通信中的路径损耗和角散射强度分布演化特性，得到了接收视场角(FOV)的选取原则，以使得接收光功率取得最大值。修正了路径损耗的理论仿真模型，提出平均散射相函数以使得理论仿真结果与实验数据更为吻合。通过实验数据与仿真结果的对比，验证了上述理论分析的合理性。文中的结论与波长相关，实验和仿真中信号光源波长为808 nm。

根据Mie散射理论,基于一次实测资料拟合得出雾滴谱分布,计算了雾滴粒子群的散射相函数矩阵,揭示了不同波长的雾滴粒子群对入射激光的散射偏振特征。结果表明:激光散射强度随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且波长越小散射光强分布越集中;波长越大,偏振度随散射角分布越平滑,反之分布震动则越剧烈;各波段偏振度随散射角增大的分布趋势大致相同,关键散射角随波长的减小向增大的方向偏移。

基于Mie散射理论和低浓度近似,对空气作为散射体,氧化锡作为周围介质的反蛋白石光子晶体的光散射强度进行了理论计算,并细致分析了各种影响因素。结果表明,前向散射和背向散射的变化规律基本一致,散射强度随散射体半径增大和入射波长减小而增大,但前向散射强度比背向散射强度大得多。该实验可为该材料的实验制备及应用等方面提供理论参考。

研究了用掠入射散射法测量光学表面散射分布实验中存在的异常散射现象。首先,介绍了实验装置, 并用原子力显微镜(AFM)测量了样品的表面粗糙度, 给出了工作波长为0.154 nm时不同样品在不同掠入射角下的表面散射分布。然后,分析了异常散射角与临界角的关系。最后,对影响散射强度的因素进行了分析。实验结果表明: 当掠入射角大于临界角时能观测到光学表面的异常散射现象。在波长一定的情况下, 异常散射角与样品材料有关, 与掠入射角和表面粗糙度无关; 异常散射角略小于临界角, 误差变化为-8.6%~-0.9%。另外, 镜像反射强度随着入射角和表面粗糙度的增大而迅速减弱, 但异常散射强度与镜像反射强度的比值(峰值比)反而随着掠入射角或表面粗糙度的增大而增大, 其比值在0.012~2.667变化。结果证明样品的材料和表面形貌是影响异常散射分布的两个重要因素。

根据Mie散射理论，对金属单粒子和复合粒子的散射强度和偏振度进行了数值计算与理论分析，得到了两类散射体的散射强度、偏振度与散射角、入射波长及壳层厚度之间的关系。结果表明，随着入射波长的增大，复合粒子的前向散射增强，背向散射未变化；偏振度峰值和峰位易出现明显的退偏振现象，明显区别于金属单粒子散射行为。该结论对两类金属材料光学特性方面的开发和应用提供了理论参考。