越来越多的光学应用技术涉及到粒子的光散射特性计算与分析。针对不同的粒子,研究者提出并发展了各种光散射理论和计算方法。不同的理论模型和计算方法具有不同的适用范围,目前仍面临的挑战之一是大尺寸非球形粒子的光散射计算问题。对于形态复杂且尺寸远大于入射光波长的粒子,现有的解析理论（如米理论、广义米理论、德拜级数展开）和数值算法（如离散偶极子近似、时域有限差分、T矩阵）不再适用。而几何光学近似（GOA）方法目前多用于球形、椭球形粒子或者不涉及波束发散的多面体粒子（如冰晶）,而对于形态复杂的粒子,该方法难以计算波束的发散因子以及由于焦散线引起的相位变化,故而限制了GOA方法的应用。任宽芳等人提出的矢量复射线模型（VCRM）将波前曲率作为射线新的内在属性,为研究大尺寸、任意光滑表面粒子的光散射问题提供了可能。由于VCRM目前仅解决了光线在二维平面内传播时的散射场计算,本文将系统研究大尺寸非球形粒子对平面波和有形波束三维散射强度的VCRM计算方法及实验验证。本文主要研究工作和成果如下:1.本文首先基于VCRM研究并提出了平面波经任意光滑截面柱体散射后的二维散射场计算方法。给出光线与任意截面柱体交点坐标的计算方法;推导了任意光滑截面柱体各点的曲率;并在VCRM框架下对各作用点处反射光和折射光的波前曲率、各散射光线的振幅和相位实现了计算。将提出的计算方法应用于解决复合椭柱（CEC,截面可为圆形,椭圆形以及高度变形的各种形状）的光散射场计算问题。以横截面为实际雨滴形状的CEC柱体为研究客体,对其0到360度的散射场实现了计算,并定量分析了柱体形态、折射率和入射光方向对散射场分布特性（尤其是对彩虹）的影响。2.本文基于VCRM,首次提出了一种用于大尺寸非球形粒子三维光散射场的计算方法。在VCRM框架下解决了三维散射中的光线追迹,波束的会聚和发散,由于焦散线和光程引起的相位变化以及交叉极化等问题,得到经复杂形态粒子散射后三维光线的振幅和相位。此外,提出了基于三角剖分的插值算法,解决了散射光线在三维空间中的干涉叠加问题,从而突破了VCRM向三维散射拓展中遇到的瓶颈问题。所提出的计算方法具有很强的灵活性,原则上仅要求粒子的表面光滑（二阶可导）。而且编程运算结果表明,该方法具有很高的计算效率,普通个人电脑即可完成对大尺寸非球形粒子三维光散射场的计算。3.利用所提出的大尺寸非球形粒子三维光散射场计算方法,实现了对低速条件下真实液体射流光散射场的模拟与分析。由于沿着轴向方向存在不为零的表面曲率,真实射流的几何形态与无限长柱体不同。论文仿真了射流表面曲率作用下,垂直于射流柱轴入射的平面波经射流作用后,其散射光在三维空间中的强度分布。并利用VCRM可揭示散射机理的特点,对各阶散射光在三维空间中的分离和干涉进行了系统的分析。此外,为验证所提出的三维光散射计算方法以及检验真实射流三维光散射场的模拟结果,搭建了液体射流的三维光散射场测量实验系统。利用4f滤波光路实现一毫米有限宽度的片状平面波对液柱的照射,为生成理论仿真中的波束模型提供重要的实验保障。射流三维光散射场的实验测量结果和理论模拟结果吻合。4.在VCRM框架下,提出了椭圆高斯光束的射线描述方法,为包括强会聚的激光束经复杂形态粒子散射后的三维光场提供了一种可行的计算方法。该射线模型不仅描述了椭圆高斯光束在各点的传播方向、振幅和相位,还描述了局部波阵面的主曲率和主方向。在射流对平面波散射计算方法的基础上,实现了真实液体射流对椭圆高斯光束三维散射场的模拟计算。研究了不同波束发散角对彩虹附近散射场分布的影响,并对强会聚波束入射下的三维散射场的空间分布特性进行了定量分析。大尺寸复杂形态粒子/目标的椭圆高斯波束散射计算不但证明了VCRM的灵活性,也为VCRM框架下研究其他复杂波束的三维散射问题提供重要的解决思路。