高光谱激光雷达是同时获取光谱和空间信息的主动遥感探测方法。在激光扫描过程中，激光入射角是重要的影响因素之一。在实际应用中，目标表面粗糙度会使其入射角效应偏离朗伯模型。因此，基于Oren-Nayar模型对粗糙表面建立二向反射模型，研究了入射角效应的辐射校正方法。选取8种典型的粗糙表面作为实验对象，分析了各波段后向散射强度与入射角的关系，并量化了粗糙度对强度的影响。基于构建的模型，对该研究样本的入射角效应进行辐射校正。辐射校正后，不同入射角反射率的标准差均不大于0.06；与校正前相比，标准差平均改善率为67.86%。结果表明，所提出的方法提高了提取目标反射特性的准确性，为高光谱激光雷达更好地为开展数据分析与应用提供良好的物理基础。

鉴于目前场地双向反射分布函数测量的非便携性和低效性，开展了基于多旋翼无人机的场地双向反射分布函数测量系统的研制。该系统主要由多旋翼无人机和可见-短波红外光谱仪组成，其中光谱仪的观测镜头由高精度无人机云台控制。光谱仪采用两个波段探测单元，整体光谱覆盖范围为400～1700 nm，两个探测单元均以平场凹面光栅分光、线阵探测器探测信号，两个探测单元的光谱分辨率分别优于3 nm和12 nm。为验证基于多旋翼无人机的场地双向反射分布函数测量系统的综合性能，利用该测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量。试验结果表明，该便携式测量系统可以大大提高场地双向反射分布函数的测量效率，为场地双向反射分布函数测量的未来发展提供了有益参考。

提出了一种基于表面双向反射分布函数（BRDF）离散测量值直接追迹散射光线的方法，以各向同性表面为例，先对随散射角离散变化的表面BRDF离散测量数据组做空间坐标转换，由散射角半球空间转换到方向余弦空间；再通过等间距赋值插等值方式得到方向余弦空间内分布的BRDF数据；然后，利用舍选抽样法不受限于累积分布函数（CDF）求解过程的优点，设计新的散射概率模型，以方向余弦空间内BRDF数值比表示离散光线的概率分布，设定检验条件筛选出散射光线的空间坐标，实现散射光线追迹。为验证本文方法的准确性与适用性，设置相同的入射角、追迹光线数量等仿真参数，编制了本文光线追迹方法的仿真程序，对不同光机元器件建模仿真，对比商用LightTools软件的仿真结果，计算二者的通用质量指数UQI作为比对评价指标。结果表明，基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法，运算结果数据准确，与商用LightTools软件的仿真结果相比，UQI值均在0.998以上，且波动范围小，本方法具有良好地适用性。

红外偏振成像技术具有探测距离远，目标识别率高等多种优势，但在复杂环境下目标偏振特性易受背景辐射影响，使得红外偏振设备的探测能力大幅降低。本文基于偏振双向反射分布函数，综合考虑目标和背景间的辐射耦合效应，建立了目标偏振度计算模型。对比研究了有强辐射背板和无强辐射背板两种情况下目标偏振度的变化情况，并针对陆基和机载探测等小角度探测情况，仿真研究了目标和背板的温度、夹角等参数对目标偏振度的影响规律。研究结果表明：目标和背板温度相同时，辐射耦合效应会显著降低目标的偏振度，但不会改变目标偏振度随温度升高而增大的趋势。当目标和背板温度为30 °C、40 °C和50 °C时，目标偏振度的最大值分别为无强辐射背板时的63.7%、44.9%和42.2%。可见温度越高，目标和背板间的辐射耦合效应越强，目标偏振度降低的比例越大。此外，辐射耦合效应的强弱不仅与温度有关，还与目标和背板的夹角有关。随着夹角的增大，目标偏振度先增大后减小，且在夹角约为105°处取得极大值。因此，辐射耦合效应会在一定程度上改变目标偏振度，从而影响红外偏振设备的探测能力。最后，通过搭建的长波红外偏振成像系统，对建立的目标偏振度计算模型进行了实验验证，实验结果与仿真分析结果基本一致。本文研究成果对提升陆基和机载红外偏振设备的探测和识别能力具有一定的指导意义。