被动毫米波(Passive Millimeter-wave,PMMW)成像作为一种新的目标探测手段,应用于人体安检、军事探测、地形测绘建模、火灾消防等领域,具有重要研究价值和迫切的应用需求。通过对观测场景PMMW成像进行仿真,不仅有利于从物理原理层面深刻理解PMMW图像,而且对于实测数据解译和新体制成像系统设计具有指导意义。当前,已有研究工作通常将物体表面当作光滑表面进行单向射线追踪计算分析,然而很多物体表面在毫米波波段不再属于光滑表面,粗糙表面散射导致的多向辐射来源不能忽略。基于此,本文针对粗糙表面开展PMMW成像仿真与实验研究,主要工作包括:(1)阐述了光滑表面和粗糙表面亮温和发射率计算模型,分析了物体表面粗糙程度对发射率和自身亮温的影响规律。结果表明,不同粗糙程度的发射率和亮温具有明显差异,因此在建立亮温计算模型时有必要引入粗糙度。(2)建立了基于多向射线追踪的粗糙表面成像仿真计算模型。针对粗糙表面全空间散射方向的离散化问题,提出了基于散射方向图疏密特性的多向射线划分方法,该方法能够有效地针对粗糙表面不同散射分布情况进行合理的射线划分。针对多向射线追踪带来的计算量指数增长问题,采用二分内包围盒算法进行计算加速。(3)开展了典型室外场景仿真与实验验证。利用仿真计算模型分析了不同粗糙表面的视在亮温差异。针对草地、沙地、裸土等粗糙表面场景,对比分析了光滑表面模型仿真图像、粗糙表面模型仿真图像和实测图像。结果表明,考虑粗糙度的新模型与实测数据具有更好的一致性和更小的误差。本文提出的模型和方法弥补了随机粗糙表面目标PMMW成像仿真的不足,针对更多类型粗糙表面,有必要在未来开展进一步研究。