水面溢油危害生态环境与工业生产的正常运行。及时准确发现溢油位置、溢油量、溢油类型等信息是开展污染危害分析和控制的关键手段。紫外偏振遥感是一种新型的光学遥感方式,国内外研究表明溢油在紫外波段和偏振维度具有探测潜力。为提高水面溢油的探测效率与识别能力,开展水面溢油偏振特性和紫外偏振成像技术研究具有重要的科学意义和工程价值。针对大气环境下水面溢油目标的反射光偏振特性,介绍了在Stokes表征下,光在油膜介质中偏振传输的影响因素,基于油膜的产生机理,建立光滑单层油膜物理模型。采用椭偏测量法测量油膜270~900nm的光谱椭偏参数,验证了水面溢油反射偏振特性在紫外波段的鲁棒性。分析了大气环境下目标偏振探测涉及的偏振辐射传过程和数学模型,采用数值仿真手段分析了不同太阳位置、大气成分和观测角度条件下水面溢油和水的紫外反射偏振态,对偏振成像系统提出指标要求。根据系统要求提出了一种实时、大视场和高分辨率的紫外偏振成像总体方案,分析了系统方案的偏振信噪比和偏振测量误差。搭建紫外四通道偏振成像系统,完成了紫外偏振成像原理样机的集成、光校和辐射信噪比测试。提出一种用于偏振成像系统的定标方法,对研制的原理样机进行了辐射定标和偏振定标,将偏振片安装角度偏差造成的90%以上系统误差减小到低于10%。通过搭建实验平台,针对大气环境下的油膜目标完成了外场成像实验,完成了通道匹配、多维双边滤波、偏振态解算和偏振图像融合等偏振图像预处理方法。成像结果表明在外场实验环境条件下,薄油膜的紫外反射偏振度为0.8,与水的相对偏振度差为0.05,验证了油膜目标仿真结论,体现紫外偏振在水面溢油观测中的重要作用,为后续开展溢油区划分和油类分辨的深入研究奠定了坚实基础。