太阳光在大气层传输过程中,与空气分子、气溶胶粒子发生大气散射形成偏振光。天空中不同偏振态的偏振光形成了天空偏振光分布模式。在固定的位置,特定的时间段内,天空中存在一个相对稳定的天空偏振光分布模式,它遵循着一定的分布规律,包含着丰富的空间方位信息。生物学家的研究表明,许多昆虫具有独特的神经元结构,对偏振光非常敏感,能够从天空偏振光分布局部模式中提取偏振信息进行导航。作为实现偏振光导航的基础,天空偏振光分布局部模式的获取与分析具有重要意义。本文所作的工作主要如下：1)首先系统地介绍了天空偏振光分布模式的基本理论,如光的偏振现象、大气散射现象、天空偏振光分布模式的形成过程、影响因素以及偏振特性的数学描述。2)阐述了天空偏振光分布局部模式检测系统的设计,对现有的天空偏振光分布模式检测装置进行了概述,介绍了本文中设计的成像式检测系统的测量方法原理,分别介绍了本文设计的配备有变焦镜头的验证性单通道装置、配备有定焦镜头的验证性单通道装置和三通道实时同步采集装置。分别对装置的硬件结构、软件实现处理流程进行了详细描述,介绍了各自的特点。3)结合相应的户外实验对每个装置的优缺点进行了总结和概括,重点说明了装置中镜头焦距的选择对实验的影响。镜头焦距决定了天空偏振光分布局部模式检测系统的测量视野范围。通过实验结果与理论分布模型的对比,证明研制的天空偏振光分布局部模式检测系统是稳定可靠的,能够检测天空偏振光分布局部模式。户外实验说明天空偏振光分布局部模式具有一定的稳定性,围绕中性点呈对称分布。初步探索了云对天空偏振光分布模式的影响,实验表明偏振度受到云的影响较大,偏振角受到云的影响相对较小。