不同于传统被动光学传感器， 高光谱激光雷达发射主动式全波段高斯脉冲激光， 和植被叶片表面相互作用后， 不同波段后向散射强度返回至接收器并被记录下来。 以往的高光谱激光雷达植被叶片反射特性研究只聚焦于零度角入射的情况， 对多入射角方向反射光谱特性以及方向反射特性对叶片叶绿素含量估算带来的误差尚未进行过深入研究。 利用实验室研发的32波段高光谱激光雷达获取了不同入射角下的植被叶片反射光谱， 对高信噪比波段下植被叶片的复杂方向反射特性进行了深入分析， 随后选择光谱指数研究了高光谱激光雷达测量条件下植被方向反射特性对叶绿素含量反演的影响。 结果表明， (1)高光谱激光雷达植被叶片回波强度随入射角增大逐渐降低， 但二向反射率因子并不逐渐减小， 在可见光和近红外波段， 二向反射率因子随入射角增大分别呈现出两种不同形状特征， 可见光波段反射率因子最大值出现在0°~10°， 近红外波段最大值出现在60°， 反射率因子最小值均出现在45°处， 最大和最小反射率因子间可差0.1左右， 可见光和近红外波段10°~60°内二向反射率因子均呈现先减小后增大的趋势; (2)通过对不同入射角下光谱指数与叶绿素含量的回归分析发现， 方向反射特性对反演精度有非常大的影响， R2和RMSE并不随着入射角增大统一呈现同步增大或同步减小的趋势， 具体地， R2随入射角的变化趋势是先减小， 再增大， 再减小， 50°左右时最小， 增大发生在60°， RMSE则反之。 对于不同光谱指数， R2随入射角增大变化可达4倍， 波动范围为0.14~0.63， RMSE最大变化为1.5倍左右， 在0.5~0.8 mg·g-1内波动。 R2和RMSE的重大变化揭示了高光谱激光雷达植被叶片方向反射特性对叶绿素含量反演的重要影响。

为了实现中分辨率光谱成像仪(Medium Resolution Spectral Imager, MERSI)太阳反射波段的星上绝对辐射定标, 本文采用国际通用的6个北非沙漠目标即伪不变目标, 以高质量的SeaWiFS数据为参考, 对FY-3C MERSI数据进行交叉定标。首先利用高质量的SeaWiFS数据构建天顶双向反射分布函数模型; 其次, 构建两个传感器的参数化光谱匹配因子; 最后, 基于前两部分工作进行交叉定标。本文构建的天顶反射模型可以准确地表达伪不变目标的天顶反射率, 波段预测误差基本都在3%之内; 考虑观测几何条件和吸收气体含量的参数化光谱匹配因子可以有效地预测MERSI的天顶反射率; 交叉定标结果的时间序列十分稳定且无明显趋势, 与伪不变目标的天顶辐射信号长期稳定且规律性变化的特点相一致, 与L1定标结果存在一个系统偏差。该方法充分考虑和解决了交叉定标研究中轨道漂移、观测几何条件和光谱响应差异带来的不确定性问题, 能够对卫星辐射性能进行有效的在轨监测和订正。

Hapke模型是描述行星表面光度行为的辐射传输模型,利用行星表面多角度反射率数据可以反演得到Hapke模型参数,研究行星表面的物理和光度特性.Hapke模型参数的反演需要覆盖相角范围足够大的反射率数据,而行星遥感和就位探测时很难覆盖足够大的相角范围.因此,如何利用有限的多角度数据获取准确的模型参数是一个重要的研究课题.实验室提供了获取大范围角度下反射率数据的实验条件,可以在实验室条件下研究Hapke模型参数反演方法.通过实验室ASD光谱仪和Chang’E-3红外成像光谱仪鉴定件获取的橄榄石和模拟月壤多角度反射率数据进行实验,结果表明有限观测角度可以获取比较准确的模型参数；通过分析Hapke模型参数得到橄榄石和两种模拟月壤的光度和物理特征.

为了研究高斯粗糙表面偏振特性, 基于微面元理论, 综合考虑微面元的漫反射和镜面反射, 建立偏振双向反射分布函数模型。对由偏振双向反射分布函数得到的穆勒矩阵进行分解、变换等处理, 推导出表征粗糙表面二向色性、相位延迟和退偏的3个子矩阵及其对应的偏振特性表达式。针对典型的粗糙目标, 对偏振特性进行理论计算。分析入射角、方位角, 以及粗糙度对粗糙表面偏振特性的影响。结果表明：粗糙表面二向色性在入射角变化范围内有极大值, 且随方位角的增大而增大；相位延迟随入射角的增大而减小, 且在方位角变化范围内有极大值；退偏能力在入射角范围内有极小值, 且随方位角的增大而减小；粗糙度对除退偏能力以外的偏振特性影响较小。

为实现利用采用紫外波段对海水溢油污染进行监测, 采用了回转半径为1 500 mm的双向反射分布函数测量装置和工作波段为300~400 nm的大视场紫外成像仪, 对海水溢油紫外反射光谱特性进行研究.对三种油样品进行了外场试验, 试验结果表明: 海水溢油紫外光谱双向反射分布函数测量装置不确定度为3.68%; 在天顶角0°和30°, 相对太阳方位角0°和45°时, 原油样品与海水的双向反射分布函数在紫外波段差别较大.因此, 可利用此状态下300~380 nm工作波段的紫外光学遥感仪器监测海水溢油状态.

星上定标器作为遥感卫星在轨辐射定标装置，定标漫反射板(SD)作为定标器中的参考标准板，其结构设计的可靠性将直接影响到星上定标器的定标精度。为了得到星上定标漫反射板结构在航天力学条件下的响应情况，通过振动实验台模拟对其进行加速度过载和随机振动响应特性进行了测试，获得了定标漫反射板组件的加速度过载响应特性、固有频率和随机振动响应特性。同时，为了考察星上定标漫反射板的光学特性，进行了方向半球反射比(DHR)、双向反射分布函数(BRDF)等光学特性的测量。结果表明，漫反射板组件在航天力学条件下强度和刚度都满足设计要求，基频大于120 Hz；而且漫反射板具备高反射率(大于99%)、光谱平坦性、朗伯性等优良光学特性，满足航天应用要求。

对具有一维高斯分布粗糙表面的半透明介质层光谱散射，基于微面斜率法建立了考虑遮蔽效应的粗糙表面光谱辐射传递概率模型，采用蒙特卡罗法模拟光谱辐射能束在粗糙表面、半透明介质层介质与镜反射基底之间的多次反射、折射和吸收等传递过程。通过数值模拟，分析了介质层表面粗糙度、光谱光学厚度、折射率和基底反射率对介质层双向反射分布函数(BRDF)的影响。结果表明，表面粗糙程度不同时，反射峰值随入射角度呈现不同的变化趋势；表面粗糙度增加或折射率增大都将导致漫反射份额增大；介质层光谱光学厚度和基底反射率主要影响BRDF的数值大小，而对BRDF的分布形态影响很小。

利用原子力扫描探针显微镜(AFM)获得了花岗岩表面粗糙度形貌数据, 分析了该实际表面的形貌特征.在几 何光学近似下, 根据该实际表面形貌数据采用Monte Carlo法, 并考虑表面散射过程中的入射遮蔽及多次散射效应, 模拟了实际表面的双向反射分布函数(BRDF).将BRDF模拟值与在入射波长为0.6328μm、不同的入射天顶角和 入射平面内条件下实验测得的BRDF值进行比较, 结果表明在适当的误差范围内两者符合较好.

计算机模拟模型是以计算机图形学方法生成的植被真实结构场景为基础， 利用辐射度方法模拟植被冠层的辐射特性。 文章将这种方法拓展到遥感像元尺度林冠二向反射光谱特性的模拟。 由于模拟像元尺度的林地真实场景需要大量面元组成， 而辐射度方法无法承受如此多的面元计算。 为了解决这一问题， 文章提出了简化树冠结构的思想， 将树冠抽象为椭球体， 根据光在真实树冠内部能量传输的特点为简化的椭球体面元赋值， 并将真实树冠间的间隙率考虑其中， 结合几何光学模型的思想完成了像元尺度林地场景冠层二向反射光谱特性的模拟。 并将模拟结果与GOMS模型、 MISR多角度遥感数据进行了比较， 取得了比较好的结果。 研究结果对多角度遥感数据应用和植被冠层结构参数反演具有重要价值。

均匀材料表面除镜反射方向的其他散射方向光辐射强度都较微弱。采用信号参量估计中的最大似然估计，应用相关检测技术，利用被测信号与背景噪声不相关特性，设计了适于微弱光电信号检测的装置——锁相放大器。对金刚砂反射天顶角－55°～55°范围测量的实验结果与双向反射率(BRDF)模型比较显示，在可见光0．6328 μm波段，误差为3．43%；近红外1．34 μm波段，误差只有0．01%。该锁相放大器适用于材料表面双向反射率的测量。