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。

为解决传统偏振双向反射分布函数计算复杂、渲染实时性差的问题，基于微平面理论，提出一种更快速的偏振双向反射分布函数模型，并完成全链路的成像仿真。依据P-M海浪谱生成海面，设计了适用于偏振仿真的三维数据存储结构，讨论了探测器接收到的有效辐射并建立辐射控制方程，提出用宏观面元法向与探测方向中间向量代表微观面元平均取向的假设，改进传统P-G偏振双向反射分布函数模型。建立了海面与舰船的定向半球偏振反射率与发射率模型，最后对探测器进行建模，生成海面与舰船的图像，计算出偏振度图像，并与相近条件下获取的实拍图像进行了对比。结果表明，基于该仿真模型得到的仿真图像，与相近条件下获取的实测图像有良好的匹配度，证明了模型的准确性。

为了研究“猫眼”目标表面回波散射偏振特性，基于微面元理论建立了偏振双向反射分布函数模型，指出线偏振光在“猫眼”目标表面回波散射的偏振度与目标表面粗糙度、复折射率以及入射角、探测角有关。主要研究“猫眼”目标表面粗糙度对其回波散射偏振度的影响，利用 Matlab 仿真得到“猫眼”目标回波偏振度与目标表面粗糙度参数 $ \sigma $的关系曲线。选择经过不同砂纸打磨的硅片作为“猫眼”目标进行实验，当硅片表面均方根高度分别为0.067 µm、0.554 µm、0.726 µm、1.651 µm、1.893 µm时，其表面回波散射偏振度的测量值依次为98.83%、98.16%、96.08%、94.91%、94.6%，表明“猫眼”目标回波散射的偏振度随其表面粗糙度的增大而减小。