为了表征典型卫星表面材料的近红外偏振特性，基于微面元模型并综合考虑镜面散射及漫散射来描述目标表面的反射特性，引入镜面系数及漫反射率来明确两种反射对偏振度的影响，并考虑实际粗糙材料表面存在的遮蔽效应，建立一种更完善的多参量偏振双向反射分布函数模型，进而推导出适用于粗糙材料表面的光学反射偏振度表达式。对典型卫星表面材料进行近红外偏振实验，采用遗传算法从实验数据中反演卫星表面材料的多参量数值，进而得到偏振信息仿真曲线。结果表明，该多参量偏振双向反射分布函数的仿真值与实验测试值能够较好的吻合，不同卫星表面材料的近红外偏振特性有较大分布差异。

为表征物体表面偏振散射特性对目标偏振信息提取的影响, 基于微面元散射模型结合Kubel-Munk理论, 综合考虑镜面散射和漫散射, 构建一种改进的偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型, 得到物体表面散射光的偏振度与材料复折射率、方位角、探测角和入射波长等因素的数学模型, 并利用该模型对基础材料的复折射率进行反演.结合实际应用利用FD-1665偏振成像仪在不同影响因子条件下对目标表面进行了一系列偏振探测实验.最后将数值模拟结果和实测数据进行比较, 其材料偏振特性曲线与实测数据吻合, 表明修正后的模型有较高的精确度, 该模型可以为后续的偏振监测和目标识别工作提供理论支持.

为了表征涂层的表面散射偏振特性,基于Kubelka-Munk理论,综合考虑表面散射和体散射,建立了一种多参量偏振双向反射分布函数(BRDF)模型;该模型通过引入镜向系数来表征表面散射的贡献程度,以改进传统的偏振BRDF模型,使得含5个参量(复折射率的实部和虚部、表面粗糙度、相对漫反射率系数、镜向系数)的新偏振BRDF模型更符合实际的涂层表面散射偏振特性;通过开展户外实验获得黑漆和绿漆涂层表面在不同观测几何时的偏振度,利用遗传算法从实测数据中反演关键参量。结果表明:对于不同的涂层表面,该多参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据均能较好地吻合,引入镜向系数能够提高模型的准确性,可为涂层目标偏振特征的提取和有效识别提供依据。

根据Mie散射理论，以对数正态分布函数描述沙尘气溶胶粒子群的粒径尺度分布，计算了沙尘气溶胶粒子群在0.2~40 μm波段间对太阳短波辐射和地球大气长波辐射的单次散射反照率、散射相矩阵函数，揭示了不同相对湿度时，沙尘粒子群对入射辐射的散射和偏振的特征。结果表明，沙尘粒子群的单次散射反照率随着入射波长的增加有较大起伏，不同相对湿度条件下，变化趋势基本一致；在可见光、近红外波段单次散射反照率随湿度增加而变大，湿度95%时非常接近于1；大于10 μm的热红外波段单次散射反照率随相对湿度增加而减小，具有较强的吸收辐射能力。散射辐射强度受湿度影响较小，随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势，且增大的趋势随着波长的增加而减弱；不同波段上，线偏振和圆偏振随散射角和相对湿度变化存在差异；在前向和后向仅对入射辐射为圆偏振辐射产生圆偏振散射；散射光的偏振特性及其湿度差异主要表现在后向散射区，多以拱形形式体现。拱顶峰值散射角位置存在差异，且峰值散射角随相对湿度的降低向后向漂移。

为了研究散射介质的粒子数浓度对散射光偏振度的影响以及杂质混合比与目标偏振度的关系,求解了当激光器输出波长处于近红外波段806 nm时目标的米勒矩阵及偏振度的数值解,结果表明偏振度随散射介质粒子数浓度的变化十分显著;通过建立混合目标模型,讨论了杂质比与偏振度的数值关系,并对目标的偏振度进行了归一化,而且实现了由归一化偏振度对杂质混合比的反演。本文的研究结果为利用散射光偏振度研究大气遥感提供了新的途径。