研究了目标物体的单光子散射回波特性，基于红外单光子探测器和皮秒激光器搭建了目标光学散射特性测量系统，以回波光子数作为单光子条件下目标光学散射特性的表征。实验研究了不同形状（球体、立方体、圆柱体、圆锥体）目标物体的单光子散射特性，并利用双向反射分布函数模型对实验结果进行拟合，理论拟合结果与实验测量结果能够很好地吻合。进一步对不同材质（瓷砖、木材、外墙砖）目标物体的单光子散射特性进行了研究，并将实验结果与传统波动散射特性进行了对比分析。该研究为单光子激光雷达远距离目标识别与探测的相关工作提供了参考。

相对于有限元、有限时域差分等常用的仿真算法，边界元算法具有精度高、占用内存少、善于处理复杂结构的优点。本文给出了三维边界元算法的基本原理，编写了基于C++语言的三维边界元算法程序，并用其研究了石墨烯纳米圆盘结构的表面等离子体共振特性；计算了石墨烯纳米圆盘在不同化学势下的散射截面谱线及共振波长下电磁场分布等物理量，分析了石墨烯纳米圆盘在红外波段的电磁响应性质。考虑到加工过程中产生的缺陷会导致石墨烯材料出现褶皱，故又研究了石墨烯纳米圆盘中心处产生凸起后，凸起结构的几何参数对共振强度、波长等参量的影响，并采用电荷运动的弹簧振子模型对仿真结果进行了解释。

在成像光学系统中，环境相对湿度会影响光学镜面污染粒子的散射特性，进而对成像光学系统性能造成影响。根据吸湿性，将污染粒子分为亲水性粒子和疏水性粒子。利用镜面污染粒子的光散射模型，分析了亲水性粒子散射效率因子随环境湿度的变化规律。在此基础上，结合亲水性和疏水性污染粒子的统计模型，分析了多粒子污染下，不同种类粒子占比和镜面洁净度等参数对光学镜面散射特性的影响。结果表明，污染粒子造成光学镜面的双向散射分布函数（BRDF）和全积分散射值（TIS）均随着环境相对湿度的增加而增大。并且，亲水性粒子比例越高，光学镜面散射损耗越强。随着光学镜面洁净度等级的减小，环境相对湿度对镜面散射损耗的影响有所减小。

胶州湾位于山东半岛南部, 是黄海西部的一个半封闭海湾, 是北温带海湾生态系统的重要代表。 由于水体交换能力不足, 容纳的污染物总量较大, 胶州湾及青岛近海水体富营养化问题突出, 对其水质进行实时有效监测意义重大。 2014年8月和2015年10月在胶州湾及青岛近海进行了两次海洋光学现场实验, 测量海水固有光学性质。 利用高光谱吸收衰减仪ac-s测量了海水吸收系数和衰减系数光谱剖面, 并计算了海水散射系数光谱剖面; 利用后向散射仪BB9(2014年航次)和HS6(2015年航次)测量了海水后向散射系数光谱剖面, 并计算了水中颗粒物的后向散射比。 利用现场测量数据, 建立了悬浮粒子散射系数和后向散射系数光谱模型, 以及532 nm处后向散射系数与散射系数的关系模型。 利用后向散射比提供的粒子折射率信息分析了胶州湾及青岛近海海域的粒子组成及其空间分布情况。 最后分析了悬浮粒子散射特性与浓度SPM的关系。 研究结果表明: 胶州湾内的散射系数b_p和后向散射系数b_bp值普遍高于青岛近海, 并且胶州湾内越靠近岸边的站位, 其值越大, 胶州湾内站位的散射系数b_p光谱斜率(m=0.56)较青岛近海站位大(m=0.44); 胶州湾及青岛近海海域的粒子后向散射系数和散射系数之间存在幂指数回归关系; 研究海域的粒子折射率在1.097~1.197之间, 粒子组成以无机矿物粒子为主, 两次现场实验的结果表明湾口站位(JZ1, QD1和QD7)的折射率变化不大。 选取从湾内经湾口到青岛近海的站位组成断面, 分析这些站位粒子折射率n_p的分布发现, 湾内从近岸(JZ9)到湾口(JZ1), 粒子折射率逐渐增大, 湾内粒子无机成分更多; 青岛近海离岸越远(QD7—QD5), 粒子折射率逐渐减小, 有机粒子的成分增加。 JZ6站位为靠近胶州湾大桥的站位点, 粒子折射率明显小于大桥两边的站位。 后向散射系数与SPM浓度之间存在线性回归和幂指数回归关系, 但幂指数回归结果优于线性回归结果。