随着海面溢油事件的频繁发生,海面油膜的及时和准确监测变得越来越重要。机载探测技术因其探测精度高、及时便捷性等优点,广泛应用于海面目标探测。传统的机载探测技术主要局限于收集目标场景的光强信息,而随着高光谱、多角度和偏振信息等多维度探测技术的发展,为机载探测技术开辟了新途径。本文主要研究海面油膜的偏振探测理论和方法,设计一款适用于机载平台的分孔径型实时偏振成像光学系统。首先,介绍海面油膜的光学特性和偏振测量原理,描述表征目标偏振特性的Stokes矢量、线偏振度和偏振角等参数。接着从菲涅尔反射定律出发,分析理想海面的偏振反射分量和偏振度。结合偏振双向反射分布函数,重点分析了太阳入射角度、探测器观测角度以及海面风速风向等因素对油膜的偏振反射特性的影响。然后,基于机载偏振系统的技术指标参数,确立了分孔径型多通道偏振光学系统的设计方案。选取合理的探测器型号,计算偏振光学系统的焦距、视场和F数等参数。根据理想光学系统理论,确定系统初始结构,分析偏振光学系统中前置透镜组和分孔径透镜组的焦距、间距以及光轴离轴量之间的关系。利用ZEMAX软件对系统进行像差校正和优化,并对优化后的偏振光学系统进行像质评价。随后,对光学系统进行性能分析。利用ZEMAX软件的公差分析模块,制定了一组合理的公差范围。然后在Tracepro软件中,建立偏振系统光机模型,以杂光系数作为评价标准,分析偏振系统的杂散辐射,通过设计特殊结构的遮光罩抑制杂光串扰,将杂光系数降低到3%。同时,通过成像仿真,提出偏振图像分割、图像配准和Stokes参量计算的图像处理流程。最后,搭建实验平台进行原理性实验,验证海水和油膜的线偏振度差异。同时,采用图像质量评价算法,验证了偏振度图像和偏振角图像在信息熵、边缘强度以及图像清晰度等方面的优势。