近年来,我国空气污染问题日益严重,雾霾天气频发,如何监测、治理大气粒子已日益受到社会关注。针对目前大气环境检测常用的吸收法、重量法以及天平法是通过在线测量仪器进行取样测量,存在测试过程复杂、耗时等问题,而偏振检测技术具有快速、无损检测、测量精度高的优势,在环境监测、海洋和生物等领域具有广阔的应用前景,本文选择基于偏振检测技术的光散射法对大气粒子进行研究,以常见的烟雾环境作为研究对象。而目前的研究主要针对静态条件粒子,针对动态条件气体粒子的偏振散射方法的研究较少。Mueller矩阵作为一种能充分表征介质偏振特性的方法,可以获取除光强以外的偏振信息,因此研究大气粒子的Mueller矩阵具有重要意义,本文主要从仿真和实验两部分进行研究。本文首先提出将Mueller矩阵元素图样分析方法应用在大气粒子环境检测中,通过Mueller矩阵图样的比较可以更加直观地反映粒子的变化。并在Mie散射理论的基础上,选择子午面法来跟踪参考平面,再结合蒙特卡洛算法,实现粒子偏振光学模型的建立,使仿真更加符合真实气体环境,随即开展了折射率、介质粒径、入射波长、环境浓度等不同参数对Mueller图样的影响研究。其次使用自编的Matlab程序,对大量光子的追踪、统计得到的传输参数进行处理,得到Mueller矩阵。由于得到的Mueller矩阵十分复杂,再采用Mueller矩阵极化分解法进行分析处理。仿真结果表明:粒子折射率虚部的变化对Mueller矩阵元素没有影响,而折射率实部的增大,会引起粒子的共极化特性随之增强,而交叉极化特性随之减弱;相对小粒径时,粒子对入射光强度的变换作用、共极化强度特性以及镜反射能力随着粒径增大而减弱,交叉极化特性随着粒径增大而增强,而大粒径时与之相反,可用元素m44来区分不同尺寸的大气粒子;粒子对入射光强度的变换作用、共极化强度特性以及镜反射能力随着入射波长增大而增强,交叉极化特性随着入射波长增大而减弱;随着浓度的变化,烟雾、水雾粒子Mueller矩阵的对角线元素图像颜色明显“加深”,元素m14和m41图样不明显,并且随着浓度的增加,烟雾、水雾粒子对入射光强度的转换能力也随之增强。然后使用马尔文粒度仪进行粒径测试,为仿真部分提供基础数据,并针对气体浓度的不可控问题,提出采用光学厚度表征气体浓度的等效方法。搭建了由发射端子系统、模拟环境系统和接收端子系统组成的实验系统,开展了两种粒子在三种浓度下的216组实验,获取了环境浓度对粒子Mueller矩阵影响的实验数据。实验结果表明:烟雾、水雾粒子Mueller矩阵图样中的16个元素具有一定的旋转关系,同时两种粒子的偏振吸收能力和对入射光的起偏能力不同,可通过Mueller矩阵元素m12、m13、m21和m31实现烟雾粒子和水雾粒子的分辨,还表明随着浓度的增加,两种粒子的非偏振光学特性不断增强,由Mueller矩阵分解出的散射退偏矩阵强度值不断增大,退偏能力也不断增强。仿真结果与实验结果相比较,置信度达到96%以上,检验了仿真模型的准确性和实验的可行性。本论文可为大气介质环境中粒子检测提供新的方法与理论基础。