大气偏振模式蕴含着十分丰富的时空信息,通过研究大气偏振模式的建模表征方法与实测获取方法,分析其分布特征,可以获得时间信息、空间方位信息以及大气成分等信息,对利用偏振光进行自主导航、目标探测、大气遥感、大气光学分析等领域具有重大的研究价值。本文通过分析经过偏振成像系统后天空偏振模式的实际分布情况,提出了一种基于成像理论的大气偏振模式表征建模方法,并且考虑到经过偏振成像系统后的天空偏振模式会发生畸变,提出了一种基于成像理论的大气偏振模式畸变程度分析方法。除此之外,在大气偏振模式的实测数据获取层面上,提出了一种大气偏振模式的自适应性获取方法。本文的主要工作包括:(1)在瑞利散射原理的基础上,分析三维空间中的大气偏振模式在成像平面的分布情况,并将大气偏振模式与成像系统相结合,建立了基于成像理论的大气偏振模式表征模型,然后将本模型与瑞利模型进行了对比,验证了该解析模型的准确性;(2)在对成像系统以及鱼眼镜头的内在结构以及成像结果分析的基础上,探讨天空光进入成像系统后发生的畸变现象,研究其畸变原理,分析了基于三种成像模式下大气偏振模式的畸变程度,并提出了基于成像理论的大气偏振模式畸变分析方法;(3)在Stokes法获取偏振态的基础上,提出一种大气偏振模式的自适应性获取方法,以单通道时序偏振信息测量仪器作为实验仪器,转动一定的偏振片次数,选取一定的像素点,用高斯-牛顿法和交替最小化迭代的方法对获取实测大气偏振模式的算法进行改进,使得无需知道偏振片旋转的角度就能够得到大气偏振模式。