太阳光在大气传输过程中，由于大气中各种成分对光的散射以及云层、地表等非金属表面的反射作用，从而产生了偏振光。大气中存在许多不同属性的偏振光，便形成了特定的蕴含丰富空间方位和大气参数信息的大气偏振模式。大气偏振模式与太阳位置、大气中各种成分的分布、气候条件、地表和下垫面的属性等有着密切的联系。大气偏振信息在大气光学特性分析、偏振遥感探测、生物偏振感知机理和仿生偏振导航机器人研究等许多领域都有广泛的应用。本文以太阳光在大气传输的偏振特性为理论依据，从大气偏振信息获取方法与实现技术的角度，利用自行搭建的偏振成像检测系统，重点开展了合肥及周边地区天顶区域大气偏振信息获取技术及相关特性的实验分析研究。分析并总结了天顶区域在典型天气、典型地表以及不同光谱条件下大气偏振特性的分布及时空变化规律，为基于大气偏振模式的仿生偏振光导航、偏振探测等其他应用研究提供基础实验支持与验证。本文的主要研究内容如下：（1）总结了天空散射光偏振特性的研究历史、国内外研究现状及相应的研究成果，分析了光的偏振特性，并在大气散射机理相关研究的基础上，说明了大气偏振模式的形成及其表征方法，实现了瑞利散射模型的仿真研究；（2）针对天顶区域偏振特性检测的实验需求，从大气偏振信息有效获取的角度，设计了一套采用偏振成像的局部天空区域大气偏振模式检测系统，完成了系统的搭建及相应的校准与测试，达到了系统稳定可靠的要求；（3）利用偏振成像检测系统，深入开展了天顶区域大气偏振特性的外场检测实验，研究了天顶区域在典型天气、典型地表及不同光谱条件下偏振特性的分布与时空变化规律，分析了不同自然因素对天顶区域大气偏振模式的影响，比较了实测模型与理论模型的一致性与差异性。大量实验分析表明，天顶区域大气偏振分布具有良好的对称性；偏振度受不同因素的影响，变化较大；相对偏振度而言，偏振化方向随着不同因素的影响变化较小，具有较高的稳健性。