针对金属多涂层目标在复杂环境下的红外偏振特性难题，提出了多涂层目标的表面辐射传输模型。根据红外辐射的特点，将探测器接收的红外辐射强度分为目标自发辐射强度和反射环境的红外辐射强度，其中自发辐射强度的求解根据能量守恒定律和菲涅耳反射定律，反射辐射强度根据能量守恒定律、菲涅耳反射定律和基于P-G模型的目标偏振双向反射率进行计算，并据此推导了目标表面的偏振双向反射方程，求解了多层涂层靶体的光学传输模型。依据热辐射环境下目标红外偏振特性模型，分别研究了涂层数量和环境热辐射强度比对多层涂层目标红外偏振特性的影响。仿真结果与实验结果接近，证明所提传输模型具有较好的拟合能力。

开展了多谱段信息融合的偏振成像探测方法和技术研究，提出了多谱段偏振成像仪器总体方案；深入分析了目标起偏和传输特性建模与测试、高消光比金属微纳格栅偏振元件的优化、多谱段偏振成像探测系统光学设计、多谱段偏振信息处理等关键技术方案。提出一种新颖的深度网络，通过自学习策略来解决偏振图像融合问题，为研制多谱段偏振成像探测实验样机提供技术支撑，以满足偏振光学成像中目视辅助和引导的实际应用需求。

本文研究了一种在激光谐振腔内额外加入晶体以优化谐振腔稳定性的方式, 通过在谐振腔内加入折射率合适的晶体有效提高了激光输出性能。本工作搭建了一台Nd3+∶Gd0.1Y0.9AlO3(Nd∶GYAP)晶体激光器, 并在激光谐振腔内置入LBO晶体, 研究对比了LBO对b切和c切晶体激光性能的影响, 以及有无LBO时的激光器性能, 包括输出功率、激光波长、光束质量和偏振特性。结果表明, 当在激光谐振腔内置入LBO后, 光谱和光束质量基本没有发生变化, b切Nd∶GYAP激光器的斜率效率从18.9%提高到24.3%, c切Nd∶GYAP激光器的斜率效率从2.87%提高到10.07%, b切晶体的最大输出功率从0.931 W增加到1.254 W, c切晶体的输出功率从63 mW增加到134 mW。置入LBO后, 输出激光的偏振由于旋光现象也会在一定程度上发生偏转。因此, 在一些必须延长腔长的情况下, 如调谐和锁模操作中, 该工作为其提供了一种提高激光器斜率效率和输出功率的方法。

为了更加准确地表征粗糙水面环境下溢油的偏振反射特性，建立了改进型溢油偏振二向反射分布函数（pBRDF）模型。该模型基于Priest-Germer（P-G）理论，引入遮蔽函数、漫反射和体散射分量，并结合水面微小平面的概率分布函数，更加适合检测粗糙水面背景的溢油偏振反射特性。在粗糙水面环境下对5种不同溢油（机油、原油、柴油、煤油、汽油）目标进行多角度可见光波段偏振特性测试实验。结果表明：若相对方位角为180°，线偏振度随观测天顶角的增大先增大后减小，随入射天顶角的增大也先增大后减小；线偏振度随相对方位角的增大先增大后减小，在相对方位角为180°时达到最大，且受波长影响较小。该模型的置信精度可达到80%以上，证明了该模型的准确性，为研究粗糙海面溢油的偏振特性提供了一种新的途径。

目标Mueller矩阵反映了光波在传播过程中偏振态的变化，其包含与目标自身有关的起偏、退偏等偏振特性。为进一步研究目标Mueller矩阵特性，通过将光波传播过程转化为相关半正定二次型函数实现偏振态变化线性运算的方法，定义目标净退偏特性和可以综合评价目标起偏特性和退偏特性的偏振度PΔ，并证明了其在偏振探测目标识别和偏振特性分析中的有效性。最后利用实验测量了不同入射角、粗糙度铝板的Mueller矩阵，通过定义粗糙度对目标偏振特性的影响因子Q和目标偏振特性随入射角变化的稳定性S，分析了入射角和粗糙度对目标Mueller矩阵特性的影响。

为了研究涂层表面光反射偏振特性，提出了一种基于蒙特卡罗方法的偏振双向反射分布函数（PBRDF）建模方法。该方法先利用傅里叶变换完成对涂层-基底双层粗糙表面的三维重构，再根据微面元理论和菲涅耳方程求解单个面元上反射与折射的随机过程，最后应用偏振光线跟踪技术和蒙特卡罗方法对重构表面的偏振光散射过程进行统计求和，从而得到涂层表面的PBRDF。实验结果表明，所提方法建立的PBRDF正确，且相比于现有模型具有更高的精度。最后分析了入射角、表面粗糙度、基底材质及涂层光学厚度对涂层表面光反射偏振特性的影响规律，以为其表面的探测和测量提供理论依据。

海面场景偏振特性研究对于红外偏振目标检测具有重要意义,海面建模是进行海面偏振仿真研究的关键环节。分析了海浪谱模型和空间采样点数对海面建模的影响,建立了将海浪谱的高频分量以指数形式叠加到低频分量的修正方法。将RadTherm软件与偏振度计算模型相结合,对比研究了所提方法与传统方法模拟生成海面的长波红外偏振特性。仿真结果表明,所提方法可以在低空间采样率下有效提高模拟生成海面的高度分布、微面元斜率分布与海面实测数据的吻合度。