等高线相交法是用于反演微小颗粒复折射率的一种新方法，目前利用该方法反演纳米颗粒复折射率的研究未见报道。以Au纳米球为研究对象，探讨了等高线相交法在纳米颗粒复折射率反演问题中的可行性和可靠性。利用Mie理论和介电函数尺寸修正模型计算得出Au纳米球的光散射和光吸收特性与复折射率的对应关系，结合等高线相交法反演获得颗粒复折射率，给出了等高线相交法出现多个有效解时确定唯一解的后向散射效率约束方式并定量分析了复折射率步长、颗粒尺寸及测量误差等因素对反演结果的影响。最后，与传统迭代法的反演精度进行对比分析，结果表明：Au纳米球对光的散射和吸收效率可以利用等高线相交法反演得到准确的复折射率；当测量误差小于5%时，可以确保反演结果的准确性；同等条件下等高线相交法反演的结果优于迭代法。此研究为Au纳米球复折射率的测量提供简单可靠的反演方法。

基于Mie理论分析单分散Au-Ag合金纳米球消光特性随粒径和波长的变化情况。在理论计算中，根据金属纳米颗粒中自由电子平均自由程的缩短效应对Au-Ag合金纳米颗粒的介电函数进行修正。基于消光特性提出了三种确定粒径和浓度的拟合公式，包括共振波长法、双波长消光法和改进的双波长消光法。结果表明，只要测得颗粒的消光谱，就能利用拟合公式反演颗粒的粒径和浓度。此外，对比三种方法的灵敏度和粒径范围发现，相比其他方法，共振波长法的原理更简单、速度更快。

为了寻找单个Au纳米球壳在连续激光激发下的最大表面温度变化及对应的颗粒最优尺寸，利用Mie理论、介电函数尺寸修正模型和热方程定量研究了波长、内核半径和外壳厚度对单个Au纳米球壳光热特性的影响。首先，通过改变Au纳米球壳的内核半径及外壳厚度调节共振峰的大小和位置，并得到所需的颗粒表面温度变化情况。然后，针对颗粒光热特性的应用，给出近红外波段内四个典型波长（800，808，820，1064 nm）下单位入射光强度的最大颗粒表面温度变化量γ_max及对应的颗粒最优尺寸。最后，给出了上述波长下单位入射光强度的颗粒表面温度变化量大于0.9γ_max的颗粒尺寸分布。该研究对光热治疗、等离子体辅助光催化以及颗粒制备等方面的研究具有重要意义。

土壤重金属污染问题一直备受关注, 利用高光谱遥感对其进行研究取得了大量的成果, 主要集中在利用土壤光谱的导数变换、 连续统去除等常规方法预测土壤重金属含量上。 土壤光谱数据与非线性非平稳的机电信号、 医学信号等具有一定的相似性。 通过希尔伯特黄变换(Hilbert-Huang transform, HHT), 对土壤铅(Pb)污染光谱进行频率域分析, 实现土壤Pb污染光谱的HHT鉴别, 并建立土壤Pb含量预测模型。 首先, 进行土壤Pb污染实验, 采集土壤Pb污染样品的光谱、 含水率及有机质含量; 其次, 通过土壤Pb污染样品光谱的HHT时频分析和第二个本征模函数(intrinsic mode function, IMF)分量(IMF2)瞬时频率的二阶导数识别土壤Pb污染的特征波段; 最后, 选择合适的频率域参数、 土壤光谱一阶导数、 土壤有机质含量及土壤含水率作为参数, 利用箱形图、 聚类分析、 偏最小二乘法建立土壤Pb含量预测模型。 研究结果表明: 土壤Pb污染的HHT时频分析图可以鉴别土壤Pb污染光谱, 未受污染的土壤光谱HHT时频分析图在波段序列为250~430之间没有异常信号, Pb污染土壤的光谱HHT时频分析图在波段序列为250~430之间存在多个异常信号, 并且随着浓度的升高, 异常信号分布范围越来越广, 当污染浓度达到800 μg·g-1时, 土壤样品的光谱信号在波段序列为270处、 频率为0.3 Hz之前出现了较强的异常信号; 土壤Pb污染光谱经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)处理后, 得到的未受污染的土壤光谱IMF2的瞬时频率的二阶导数的突变非常微弱, 而Pb污染的土壤光谱IMF2的瞬时频率的二阶导数存在明显的突变点, 根据突变点及土壤Pb污染光谱的IMF2的瞬时频率的二阶导数识别的土壤Pb污染光谱的特征波段区间为2 150~2 300 nm; 利用不同浓度Pb污染下土壤光谱Hilbert能量谱峰值、 EMD能量熵、 一阶导数、 有机质和含水率, 通过箱形图去除了六组异常样品, 然后利用聚类分析的方法将去除异常样品后的土壤Pb污染样品分为两类, 最后将Hilbert能量谱峰值、 EMD能量熵、 2 134 nm波段一阶导数、 790 nm波段一阶导数、 1 276 nm波段一阶导数、 2 482 nm波段一阶导数、 有机质和含水率作为参数建立两类数据的BC-PLSR(boxplot cluster-partial least squares regression)模型预测土壤中Pb含量, 经验证模型精度较高, 相关系数分别为0.88和0.99。

利用高光谱遥感技术监测并识别农作物受重金属污染信息是当今热点, 研究设置了不同浓度铜离子(Cu2+)、 铅离子(Pb2+)胁迫梯度的玉米盆栽实验, 并测取了玉米叶片的光谱及叶片中重金属离子与叶绿素含量。 基于获取的光谱数据, 将光谱划分为紫谷、 蓝边、 绿峰、 红谷、 红边和红肩六个光谱特征区间, 通过光谱的一阶微分和二维多重信号分类(2D-MUSIC)算法构造空间谱, 对各光谱特征区间进行变换分析。 实验结果表明: 蓝边、 绿峰和红边阵列信号的空间谱在Cu2+胁迫下为双高峰, 在Pb2+胁迫下为单高峰, 以此能够快速、 直观地区分玉米叶片所受重金属污染的Cu2+和Pb2+元素类别。 红谷和红肩阵列信号空间谱的方位角谱峰值与玉米叶片中Cu2+含量的相关系数分别达到-0.954 5和-0.964 8, 说明用于监测Cu2+污染程度时效果理想; 紫谷阵列信号空间谱的方位角谱峰值与玉米叶片中Pb2+含量的相关系数达到-0.999 8, 说明用于监测Pb2+污染程度时效果理想。 同时通过与常规重金属污染监测方法绿峰高度(GH)、 红边位置(REP)、 红边最大值(MR)、 红边一阶微分包围面积(FAR)的应用结果进行比较分析, 空间谱法的应用结果与玉米叶片中重金属离子含量的相关性较高, 从而验证了空间谱应用于玉米重金属污染信息监测具有更好的有效性和优越性。

农作物重金属污染监测是当今高光谱遥感研究的重要内容之一.重金属污染会引发农作物光谱畸变，但不同污染程度的作物光谱在形态上仍具有极高相似度，所以监测其畸变的关键问题之一是如何提取相似光谱间污染的弱差信息.本研究将变分模态分解(VMD)理论引入到光谱信息弱变化监测中，并结合包络线去除(CR)与欧式距离(ED)方法构建了光谱弱差信息的VMD-CR-ED测度模型，通过与光谱角(SA)与光谱相关系数(SCC)等常规光谱测度算法进行应用比较，证明VMD-CR-ED模型在有效区分玉米叶片的不同胁迫程度方面更具有优越性.同时，分析了VMD-CR-ED模型与玉米叶片光谱8个特征子波段的相关性.最后，基于检验数据验证了VMD-CR-ED测度模型在农作物铜铅污染监测方面具有可行性和可靠性.

针对微小卫星对星敏感器的特殊要求, 结合星敏感器特殊的工作性能和环境, 采用拓扑方法对星敏感器支撑结构进行多目标优化设计并进行有限元分析和试验。首先, 对模态分析和随机振动响应的基本理论进行介绍, 推导出多目标拓扑优化的表达公式; 其次, 以支撑结构的体积最小和星敏感器在支撑结构上的四个安装点RMS值最小为目标, 以最低自振频率为约束, 建立支撑结构的拓扑优化模型, 利用OptiStruct软件对其进行拓扑优化设计; 然后利用MSC.Patran&Nastran有限元分析软件对优化后的支撑结构进行模态分析和随机振动响应分析, 得到基频为327 Hz , 安装点RMS值的放大率最大为1.55; 最后, 对支撑结构进行振动试验, 试验结果和有限元分析结果的相对误差最大为6.68%, 二者吻合较好, 该星敏感器支撑结构满足微小卫星对其性能指标的要求。

为实现某型号微小卫星太阳帆板的压紧释放, 研制了一种小型熔线式压紧释放机构。首先, 设计了可测量预紧力的压紧机构, 得到扭矩与预紧力的2倍关系, 给出了预紧力的确定方法。然后, 根据绳索特点, 设计了具有电阻调节功能的解锁机构, 增强了对电源的适应能力, 满足了微小卫星快速模块化布局。最后, 进行了熔断特性实验与熔断参数设计, 得到熔断时间与电流的函数关系, 确定了该型号卫星解锁的熔断功率为6.25 W, 熔断时间为(6±1) s。 开展了实验室环境与真空环境下的可靠性验证实验, 结果表明: 所设计的压紧释放机构工作可靠, 适用于微小卫星展开机构, 且具有较好的通用性与扩展性。该项研究对微小卫星太阳帆板压紧释放装置设计和空间展开机构设计具有指导意义。

针对光电跟踪系统目标的快速捕获过程, 本文提出了时间最优滑模控制方法。该控制的滑模面函数为时间最优控制系统状态最优运动轨迹, 保证系统状态变量沿着最优轨迹滑动; 设计相应的指数趋紧率, 使状态变量快速平稳趋近滑模面。以180°、90°、60°阶跃信号为捕获目标进行仿真与实验研究, 实验结果为时间最优滑模控制调节时间比时间最优控制和滑模控制分别减小了约43.66%、59.67%, 超调量为0, 稳态波动量为0, 稳态误差减小了约为44.94%和6234%, 与仿真结果相吻合。结果表明该方法调节时间短, 超调小, 稳态值平稳, 稳态误差小, 鲁棒性强等优点适合应用于光电跟踪系统目标快速捕获, 具有重要的研究与应用价值。