本文主要基于射线追踪算法建立了复杂背景下地面目标散射特性模型。建立了复杂背景下目标与地物复杂背景高光谱成像模型,并实现了典型场景高光谱成像仿真,论文的主要工作和成果如下:1.对于复杂目标散射特性的研究,基于粗糙表面的双向反射分布函数,利用反向射线追踪算法,建立了复杂目标散射特性模型。基于粗糙表面在半球空间内的散射能量分布情况,结合概率密度分布采用非均匀的蒙特卡罗采样方法,改进了反向射线追踪算法中的散射能量空间分布分裂射线的射线采样方式,从而优化了复杂目标散射模型中的二次散射部分。通过朗伯平板和朗伯球模型,验证了单次散射模型的正确性,并进一步讨论了射线规模和建模精度对于计算精度的影响,分析了建模过程中平面与曲面的剖分精度需求,优化了目标建模提高了计算效率。对于二次散射模型,详细推导了朗伯二面角结构二次散射的理论计算公式,与射线追踪计算值的对比结果对比可以看出,射线追踪二次散射仿真计算值与理论值吻合得非常好,从而验证了二次散射模型。通过射线分裂数目的研究可以发现,射线分裂数目对计算精度影响较大,且优化二次散射采样方式后效果较好,即使对于分裂数目为20时,虽然波动起伏较为明显,但是基本以理论值为中心波动,由于二次散射在目标散射特性中的占比较小,因此对于二次散射分裂50根射线即可满足精度要求。2.在复杂背景下地面目标的散射特性计算中,研究了地面与目标之间的复合散射方式,从而将复杂目标的散射模型推广应用于地面与目标之间的复合散射特性计算。研究发现对于大范围地面背景,由于地面BRDF漫反射特性较强,复合目标散射之后对整体场景的散射强度影响不大;对于天空大气背景,利用在上半空间随机采样的方式模拟天空大气辐射,研究发现在可见光波段天空大气背景的影响较大,在400nm时占比达到15%左右。本文实现了单波长的复杂背景下场景成像,并基于光谱特性实现了地面目标可见光高光谱成像仿真。3.基于八叉树结构优化了射线追踪算法,大大提高了算法效率。同时建立了基于射线追踪的CUDA并行模型,利用纹理内存、页锁定内存等优化传输效率,进一步优化程序结构,利用CUDA架构的大数据量并行运算的优势,提高了算法计算效率。