通过测量板状材料中Lamb波的频散曲线可以反演出材料的特性参数，因而这种方法在材料表征、评价和无损检测等领域具有广阔的应用前景。基于移动激光源法测量了薄板中Lamb波的频散曲线，通过高速转镜使聚焦的激光线源在样品表面以与相应Lamb波模式匹配的速度移动，当激光移动速度与Lamb波相速度一致时，可以以较高的效率激发出此Lamb波模式。通过改变转镜的转速，即改变激光线源的移动速度，记录不同移动速度下所激发的Lamb波频谱，可以得到Lamb波的频散曲线。在此基础上，结合粒子群优化算法反演了铝板以及聚苯乙烯板中的纵波波速与横波波速。在仿真中，开展了不同模式和频厚积处频散特性对材料参数的敏感度分析，并比较了不同噪声水平下以及不同模态频散数据选取所对应的拟合效果，讨论了2500~4000 m/s相速度区间基于频散曲线的反演敏感度问题。最终基于移动激光源实验中所提取的铝板中Lamb波的频散数据进行参数反演，结果显示，纵波声速和横波声速的反演误差均小于1.5%，证明了该方案的有效性。

尾流是飞机飞行时的必然产物，对航空安全有重大威胁，还限制着航空效率和容量的提升，飞机尾流涡核的精准辨识是动态缩减尾流间隔的前提，目前晴空尾涡探测的主要工具是相干多普勒激光雷达（CDL）。针对使用激光雷达进行飞机尾流探测中受限于雷达时空分辨率和背景风场的影响导致的识别和反演尾流关键参数误差较大这一问题，提出一种在激光雷达探测数据基础上基于贝叶斯网络（BN）和均方误差（MSE）构建的尾涡参数反演模型。搭建大气背景风和湍流环境，并将其叠加到模拟的尾涡速度场上，得到用于训练模型的仿真数据集。实验结果表明：所提算法能够得到误差较小的参数反演结果（仿真算例中涡核位置偏差在2 m以内，环量偏差在5%以内）；在实际算例中，所提算法与传统算法相比，反演速度场均方误差显著降低（平均超过50%）。本研究可用于机场实时尾涡监测，对尾涡间隔标准制定有重要意义。

针对PG模型预测粗糙表面材质偏振特性存在较大误差的问题, 通过分析镜面微元组合的模型基础假设、建模过程、反演拟合结果, 定位了PG模型误差存在的原因; 提出了随机粗糙表面为半球形微元组合的新假设, 基于表面精细结构下倏逝波存在的物理事实, 忽略穿透深度和相位延迟的影响, 建立了等效球形粒子组合的新构型; 在此基础上, 构建了新的表面反射模型, 细化了材质内部的散射模型, 形成了新的pBRDF模型; 在实验室全谱光源照射下, 获得了材质的多光谱偏振二向反射数据, 进行了PG与新模型的性能对比分析。结果表明, 新模型强度维和偏振维的误差约为PG模型的35%和59%。

基于激光动态散斑的时频信号,建立了一套适用于角反射器阵列的微动参数反演算法。首先利用物理光学方法推导了角反射器及角反射器阵列激光散斑的实时强度公式,然后基于短时傅里叶变换研究了散斑功率谱形成机制及其数字特征,最后提出了频谱相关法及时频-相幅变换算法,并采用该方法提取了动态散斑时频谱线周期及振幅分布,反演了三种典型运动状态下目标的自旋周期及旋转轴指向。结果表明:基于几个周期的散斑强度序列,所提反演算法可以得到高精度的旋转周期及视线角,但对旋转轴方位角的反演精度相对较差,需要更多的观测数据才能得到满意的结果。

理想光滑表面具有很强的偏振特性,但实际表面通常较为粗糙,造成遮蔽效应明显和漫反射严重。为准确表征粗糙表面偏振特性,基于微面元模型,综合考虑遮蔽效应和漫反射情况下,建立一种改进的六参量偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型,在此基础上推导出粗糙表面光学反射偏振度表达式。对铝和黑漆材料的偏振度进行模型仿真,反演其复折射率。结果表明,所提模型仿真值与实验测量值更加吻合,复折射率反演精度更高。对45#钢材料开展pBRDF测量,分析了不同入射角、反射角、粗糙度下偏振度的分布。实验结果表明,六参量模型仿真值与实验测量值均能较好地吻合,通过对漫反射部分建模增加了模型的准确性。该研究可为粗糙表面的探测和分析提供理论基础和方法。

太赫兹滤波器是太赫兹通信、 太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。 按照不同的分类方式, 滤波器有不同的种类, 常见的按照选频功能可分为高通滤波器、 低通滤波器、 带阻滤波器和带通滤波器。 为了实现在太赫兹波段的滤波效果, 世界各地的研究人员利用不同的结构、 材料和控制方式实现了功能各异的太赫兹滤波器, 但是考虑到设计的器件要应用到太赫兹系统中, 成本低廉、 结构简单、 性能优越的太赫兹滤波器一直是研究人员的追求。 分形概念自提出以来在很多研究领域都有了快速发展, 但是在太赫兹波段的应用还不是很常见, 特别是应用于太赫兹功能器件的设计。 引入分形中科赫曲线的概念设计并制备了一种新型的太赫兹带通滤波器, 该滤波器是在金属薄膜上刻蚀出科赫曲线分形结构, 当太赫兹波垂直入射到该滤波器时候实现了在太赫兹波段的窄带滤波。 在滤波器的设计过程中, 追求理论与实验相结合, 首先在电磁仿真软件中建立科赫曲线分形结构滤波器模型进行计算, 探究分形结构应用于太赫兹波段进行滤波的可行性, 在进行多次计算之后得到优化后的尺寸和结构, 然后根据优化后的尺寸加工出科赫曲线分形结构太赫兹滤波器样品, 并且将样品放在太赫兹时域光谱系统中进行实验测量, 得到实验数据后与仿真结果进行比较。 在仿真中利用了时域有限差分法模拟科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器的传输特性, 优化后的仿真结果表明: 滤波器的谐振频率为0.715 THz, 透射系数能够达到0.92, -3 dB带宽为21.9 GHz, 将仿真得到的散射参数进行S参数反演得到了太赫兹滤波器样品的电磁参数, 这在理论上分析了太赫兹波在谐振点处产生透射增强的原因。 利用飞秒激光微加工系统制备了尺寸优化后的科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器样品, 然后使用太赫兹时域光谱系统对样品的传输特性进行测试, 对实验得到的时域数据进行快速傅里叶变换之后得到频域数据, 再把频域数据进行归一化处理后与之前的电磁仿真结果进行对比, 发现实验测得的结果与电磁软件仿真得到的结果较为吻合。

林木参数反演是森林资源管理与培育经营的关键环节。 迅速发展的激光探测与测量技术突破了传统测量方法, 可以快速的获取林木的空间三维信息, 在林业普查中具备高效率、 高精度的优势。 结合计算机图形学与图像学方法, 以中国最大的橡胶生产基地海南省儋州市长期受台风侵害下的两个不同品种橡胶林段(林段1 PR107, 林段2 CATAS7-20-59)为研究对象, 设计了面向离散激光点云的单株林木参数提取方法, 自动获取橡胶林木风害后的生物量指标。 首先, 通过人背负移动激光雷达获取林段点云数据并使用瑞利商求取台风造成的主枝干倾角, 以找寻每株橡胶树的树冠中心点。 其次, 对点云进行垂直投影, 并采用分水岭与Meanshift算法实现株株分离。 最后, 基于以上操作自动获取与实测值相近的林木参数, 例如冠幅、 冠径、 冠积、 叶面积密度、 叶面积分布以及主枝与分枝之间夹角等。 计算表明, 林段1与林段2东西冠幅分别为3.95和3.73 m, 与实测相差1.74%～6.27%; 林段1与林段2南北向冠幅分别为6.47和6.51 m, 与实测相差2.54%～4.02%; 林段1与林段2平均胸径分别为5.20和4.73 cm, 与实测相差0.64%～2.44%; 林段1与林段2平均冠积分别为168.01和141.80 m3, 与实测相差0.67%～0.85%; 林段1与林段2主枝干倾斜角分别为18.80°和13.11°, 与实测相差5.53%～7.09%; 林段1与林段2二级分支与主枝干的夹角分别为40.21°~69.23°和10.63°~32.14°, 它们相差62.63%; 林段1在不同天顶角下的叶面积指数均大于林段2。 通过对一定样本(150棵/每类林段)的分析结果与真实比对表明, 该方法对林木参数反演结果精度较高, 有效地评估了不同品种橡胶树在台风下的损伤度(如主枝干歪斜率、 叶面积密度及衰减分布)。 参数反演结果与实测值仅有8%的偏差, 此偏差主要由橡胶林分叶片稠密, 导致林分中叶面与枝干扫描数据获取缺失, 以及外界环境干扰如风力扰动、 点云拼接误差、 激光束发散率、 激光扫描范围等原因造成。 同时, 由于林段1(PR107)的橡胶树的主枝与分枝夹角、 冠积以及叶面积指数均大于林段2(CATAS7-20-59)的橡胶树, 导致林段1的橡胶树比林段的2橡胶树在台风侵害下更脆弱。 因此, 该研究可用于研究风力侵害对于不同森林地块的影响, 以及量化风害造成的生态系统紊乱的影响。 同时, 该方法解决了人背负激光扫描数据进行单株提取与林木参数反演的问题, 为激光测绘在林业中的应用提供了新思路。

根据生物膜能流理论和电子传递模型，结合快相与弛豫两种激发条件，对复杂的光合作用过程进行分析并简化计算，提出植物光合作用参数反演方法。利用滑动窗口斜率判定法确定最大荧光产率；利用线性最小二乘算法解析快相荧光过程获得光化学量子效率和功能吸收截面；利用离散迭代算法解析弛豫荧光过程获得质体醌平均还原时间常数。对对数生长期以及铜离子胁迫条件下的平裂藻和斜生栅藻进行实验测量，结果表明该方法反演结果具有良好的稳定性和重复性，光化学量子效率、功能吸收截面和质体醌平均还原时间常数的测量结果相对标准偏差分别为1.25%、1.50%和1.83%，其中光化学量子效率与脉冲振幅调制技术的测量结果线性相关系数达到0.9714。该方法为研究植物生理研究提供一种光学分析手段。