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对于航空或卫星大气偏振探测来说，下垫面反射信号是一个不可忽视的噪声，影响大气性质参数的反演精度。因此，研究下垫面的偏振反射特性，有利于实现地气解耦，从而为实现高精度大气性质参数的反演奠定基础。 通过航空和实验室实验测量，在可见光及短波红外波段，开展了典型下垫面偏振反射特性分析;利用偏振辐射传输模型计算得到仿真数据，分析了不同观测高度典型下垫面对大气偏振探测的影响，此外还模拟了典型下垫面双向偏振反射分布函数(BPDF)模型偏差与气溶胶光学厚度的反演误差之间关系。并提出了优化的典型下垫面的BPDF模型。 根据航空偏振遥感数据和实验室测量数据，研究了植被、裸土、水体等典型下垫面偏振反射率对波段的敏感性和偏振光谱特性，结合实测和模拟结果分析了耀光水体和平静水体表面的偏振反射特性，并给出了利用下垫面的偏振光谱特性进行地气解耦的方法。另外，根据模拟数据定量分析了地气耦合中典型下垫面偏振反射贡献，分析了大气偏振探测中下垫面的偏振反射贡献比例与气溶胶类型、观测高度以及观测角度之间的关系。 经过下垫面偏振反射物理机理研究和实测数据的分析，提出了优化的基于Fresnel方程的典型下垫面BPDF模型。并验证了新模型的适用性和精度，新模型的平均相对偏差小于9.9％，小于NB模型和W模型的相对偏差。并且随着不同观测角度变化，新模型的与经典模型具有很好的一致性。还模拟了典型下垫面BPDF偏差与气溶胶光学厚度反演误差的关系，发现典型下垫面偏振反射率偏差为4×10-4时，带来反演气溶胶光学厚度误差小于0.03，能够满足气溶胶偏振反演精度要求。