为得到空间目标高质量仿真图像，正确仿真目标包覆温控材料形成的褶皱表面十分重要。采用反向光线跟踪方法建立辐射传输模型，针对常用温控材料聚酰亚胺的褶皱表面引发的二次反射和材料的菲涅耳反射现象，采用余弦权重重要性采样对二次反射计算时的光线区间进行优化，改进了可描述菲涅耳反射现象的双向反射分布函数（BRDF）模型。利用3D建模软件生成并量化褶皱平面，在严重褶皱上重要性采样的均方根误差比均匀采样减小了63.42%，通过与实测BRDF值对比，改进BRDF模型能更好地描述菲涅耳反射，从褶皱平面仿真图像中可看到离散的强镜反亮斑。仿真的卫星图像褶皱表面细节纹理展示良好，阴影效果逼真，可为空间目标视觉导航算法研究提供图像数据。

风云三号D星（FY-3D）中分辨率光谱成像仪II型（MERSI-II）已在轨运行超过5年，经定量应用反演发现部分通道辐射响应性能出现明显退化。本研究采用深对流云（DCC）目标对MERSI-II大部分反射太阳波段辐射响应变化进行趋势评估，为提高该方法的稳定性，对基础DCC定标方法进行了优化。首先，比较了当前两种DCC双向反射分布函数（BRDF）模型的校正效果，采用月度反射率概率密度函数（PDF）众数和均值分别对反射率长时间序列稳定性进行分析。结果表明：对可见光和近红外波段使用CERES厚冰云BRDF模型校正的反射率PDF众数较优；短波红外波段反射率PDF均值较优，但对于两种BRDF模型均不敏感。其次，针对BRDF模型在短波红外波段无明显校正效果的问题，提出了一种基于反射率拟合残差和滑动平均值的去季节性方法。该方法显著改善了2018—2022年短波红外波段月度DCC反射率序列的相对标准差和波动性，分别降低了约22.2%和53%。这种去季节性方法为其他卫星光学传感器基于DCC目标的辐射定标研究提供了参考。最后，使用上述方法对MERSI-II的11个反射太阳波段辐射响应进行定量评估，发现蓝光通道和全部短波红外通道出现显著衰减，该评估结果将作为FY-3D/MERSI-II业务定标更新的重要参考依据。

作为燃气轮机的核心部件, 涡轮叶片长期在上千度的高温下工作, 为了保证叶片安全可靠地运行, 需要对其温度进行实时的监测。 辐射测温是目前涡轮叶片非接触式测温的主流方法, 其测温精度与叶片材料反射特性关系密切, 如何预测不同方向反射能量的大小, 减小反射辐射对测温结果的影响是目前研究的难点。 为了预测叶片反射能量大小, 提高辐射测温的准确性, 对涡轮叶片常见材料--完全氧化DZ125的双向反射分布函数(BRDF)进行研究。 采用对比法作为实验测量的方法, 先分析了BRDF对比法测量原理及数据处理方法, 之后自主搭建了试验台, 在温度分别为25, 900和1 100 ℃, 波长分别为1 060, 1 550和1 908 nm的条件下, 控制入射天顶角及反射天顶角在0°~60°范围变化, 方位角在0°~180°范围变化, 测量计算出了多组BRDF值, 分析了各种因素对完全氧化DZ125的BRDF的影响。 最后采用Modified Phong模型对BRDF测量值进行了拟合, 并与实验测量结果进行了对比, 得到了较好的结果。 研究结果表明, 温度、 波长对完全氧化DZ125的BRDF影响较小, 在涡轮叶片工作的温度范围变化不大, 辐射波长变化不大时, 可忽略二者对BRDF的影响。 而入射天顶角、 反射天顶角与方位角对BRDF的影响很大, 入射天顶角与反射天顶角大小越相近, 方位角越接近180°, 测量探头所处位置与镜面反射方向就越接近, 试样的镜面反射特性就越显著, BRDF就越大; 反之, 当探头远离镜面反射方向, 漫反射占据主导, BRDF将呈现快速的衰减。 实验结果显示完全氧化DZ125具有很强的镜面反射特性。 Modified Phong模型拟合得到的结果, 能够较好地反映出完全氧化DZ125的双向反射特性。 这一模型简单可靠, 适用于后期采用蒙特卡罗方法进行数值模拟研究, 以预测完全氧化DZ125材料的反射能量分布, 为后续开展涡轮叶片辐射测温的研究提供理论基础。

针对空间目标偏振探测识别的需求，研究了三类（保温膜、太阳能帆板、卫星涂层）六种（金色保温膜、银色保温膜、单晶硅、砷化镓、卫星涂层SR107和S781）典型空间目标材质偏振光谱反射特性。基于研制的材质偏振光谱测量装置测试结果进行分析，揭示了空间目标材质的偏振光谱特性空间分布规律。结果表明，光谱特性不随接收角变化，峰值特征波长不随检偏器角度变化；材质光谱半峰宽、特征波长以及保偏和消偏特性不随入射角变化，但不同入射角处光谱特征峰的峰值不同。文中研究对空间目标偏振探测具有重要的指导意义。

为了降低金属高反射薄膜表面微粒污染物的光学散射，分析了金属铝膜表面不同厚度的SiO₂保护层薄膜上半径为100 nm的球状微粒污染物球心处的电场强度，取电场强度极小值点对应的SiO₂薄膜的物理厚度125 nm作为SiO₂薄膜的优化厚度，理论计算了当波长为632.8 nm的光束正入射时，镀有优化SiO₂保护层的铝膜表面的双向反射分布函数(BRDF)。研究结果显示，在－90°～90°散射角内，与不镀保护层相比，优化后膜层表面污染物的散射得到了显著降低，在反射光传输方向上，镀制保护层前后B_R×cos θ_s(B_R为双向反射分布函数，θ_s为散射角)分别为0.00855和0.00048。计算了原始膜系与优化膜系表面污染物的总散射损耗，分别为0.018609和6.09264×10^－4，优化膜系使得表面微粒的总散射降低了96.73%。最后实验镀制了四种薄膜设计，测量了相同污染条件下四种膜系表面的污染物散射情况，证实了优化SiO₂薄膜保护层可降低微粒污染物散射。

近红外波段的双向反射分布函数(BRDF)能够有效表征材料的反射特性,广泛应用于计算机建模、遥感、航天等领域。为了高精度测量近红外波段的BRDF值,研制了一套近红外波段的BRDF测量系统,提出了基于等面积亮度的单次绝对测量方案。该测量系统以被测样品中心为基点对测量系统的空间坐标系进行重新建模,使用六轴机械臂作为变角装置实现建模,能够无死角地改变样品的三维空间朝向,可以在2π半球空间内测量任意角度组合的材料BRDF值,该测量方案高精度测量了覆盖1000~3000 nm近红外波段的材料BRDF值。使用该系统对标准漫反射金板的BRDF值进行测量,结果表明测量结果的相对不确定度为1.5%,说明所研制的系统实现了高精度测量。

有关二向反射分布函数(BRDF)的研究大多集中在模型的建立及应用层面上。模型中起重要作用的几何衰减因子(GAF)大多采用的是现有的模型,而现有模型有在实际应用中存在拐点、自身不能维持有界、模型考虑不完善等局限性。在详细分析了随机表面模型后,提出了修正后的积分型GAF,并通过仿真验证该模型消除BRDF在大反射角时的不良行为,使其在GAF规定的范围内保持有界,所得结果与已有BRDF数据的拟合精度更高,可有效地解释后向反射现象。

为了降低高精密使用场合下多层介质高反射薄膜的表面散射，首先从多层介质薄膜双向反射分布函数(BRDF)出发，理论分析了双向反射分布函数与薄膜界面电场强度的关系。在入射光为正入射且中心波长632.8 nm处的反射率大于99%的要求下，采用SiO₂、Ta₂O₅两种材料设计了膜系G/(HL)⁸/A和膜系G/(HL)⁸H/A，并分析了两种膜系界面的电场强度分布。然后以膜系G/(HL)⁸H/A界面的电场分布为基础对场强进一步优化，得到了膜系G/(HL)⁶0.4L1.6H1.5L0.5H/A。理论计算了正入射条件下三种膜系的双向反射分布函数，发现当散射角为－45°～45°时，膜系G/(HL)⁶H0.4L1.6H1.5L0.5H/A表面的BRDF小于膜系G/(HL)⁸/A和膜系G/(HL)⁸H/A。同时计算了三种膜系表面的总散射损耗(S)，与膜系G/(HL)⁸/A和膜系G/(HL)⁸H/A相比，优化膜系G/(HL)⁶H0.4L1.6H1.5L0.5H/A的S降低了91.44%、37.98%。实验验证了利用膜层界面电场强度调控薄膜表面散射的有效性。

红外偏振成像技术具有提升目标识别率、辨别伪装目标等多重优势,但在复杂环境下目标的红外偏振特性容易受到干扰,从而出现错判和漏判的情况。为研究环境热辐射对目标红外偏振特性的影响,基于偏振双向反射分布函数推导了热源照射下目标表面红外线偏振度的解析模型。经过理论仿真及实验验证得出,环境热辐射会影响目标的红外偏振特性。当环境热辐射强度小于目标自发热辐射强度时,红外线偏振度与环境热辐射强度呈负相关,即环境热辐射强度越大,红外线偏振度越小。当环境热辐射强度大于目标自发热辐射强度时,红外线偏振度与环境热辐射强度呈正相关,即环境热辐射强度越大,红外线偏振度越大。上述结果表明,当目标受到外部热辐射影响时,红外线偏振度会发生规律性变化。