偏振探测有助于提高目标对比度,提供目标表面的方位信息和表面粗糙度信息,作为光学探针还可以揭示事物的微物理特性。由于光学传感器对偏振信息不敏感,实现偏振探测的唯一方法是将偏振信息调制到时间域、空间域或光谱域的光强信号中,通过多次测得的光强信号反演入射光的偏振信息。本文将致力于偏振探测与偏振成像系统的研究。文中首先提出了一种基于信号处理理论的偏振测量方法,克服了传统偏振测量方法只能测量静态偏振信息的缺点。在这种偏振测量方法中,偏振测量被看作偏振信号的调制和解调的过程,根据调制方式将偏振测量系统分为时间调制、空间调制、光谱调制偏振仪。文中列举了三种调制方式的新型Stokes偏振仪验证了本文所提出的偏振测量方法的正确性和普遍适用性。研究了旋转波片Stokes偏振仪的重要误差源波片方位误差对Stokes参数误差的影响,通过泰勒展开将波片方位误差引入的光强测量误差与目标光强相分离,再经过矩阵变换和严格的数学推导,得到由波片方位误差矢量向Stokes矢量误差的传递矩阵,最终得到由波片方位误差引起的Stokes参数测量误差的解析表达式,根据该解析结果可以方便地获得对于任意入射统计偏振态的偏振仪最优结构配置参数。针对时间调制型偏振仪无法准确测量时变场景偏振信息的缺陷,利用傅里叶逆变换法反演时间调制型偏振仪的入射光波Stokes参数,克服了时间调制型Stokes偏振仪的这一缺陷,并研究了采样频率和系统截止频率的关系。光学系统中的非偏振光学元件会对光束产生偏振效应,为了研究光学镜片的起偏效应,利用琼斯矩阵和相干矩阵相结合的方法,分析计算了气溶胶偏振探测仪前置光学系统的起偏度及其对仪器偏振测量精度的影响,还通过优化三个偏振片的透光轴方位,将整个系统的信噪比提升了10%左右。最后,详细介绍了气溶胶偏振探测仪的定标方法。