云层的偏振散射特性对研究大气辐射传输特性、气候变化和人工影响天气等都具有非常重要的意义。人们通过应用云层对光束的偏振散射特征来识别云相态、微观参数等,但是对于浓密厚重的水云,激光在云内的多次散射现象会影响对云层特性的探测结果,因而研究多次散射可以更加准确的获取云层的各项特性。本论文基于半解析偏振蒙特卡罗模型模拟光子在云层内的多次散射过程,完成了水云后向散射偏振特性的数值模拟及仿真分析。主要研究工作及创新点如下:首先,实现了水云的后向散射穆勒矩阵仿真。模拟了水云在不同单一粒径和尺度分布下的穆勒矩阵二维分布,发现矩阵图案、数学关系与理论一致,验证了程序的正确性;根据云滴谱经验公式仿真计算了不同类型水云的后向散射穆勒矩阵二维分布,根据穆勒矩阵各元素图案的差别可进行水云类型的初步区分;提出了一种计算激光脉冲在水云不同穿透深度下的穆勒矩阵二维分布仿真的新算法,随着穿透深度的增大,穆勒矩阵图案基本不变但覆盖范围变大;讨论了地基激光雷达观测水云时,雷达接收视场角对穆勒矩阵二维分布及数值结果的影响。结果表明,随着视场角的增大,穆勒矩阵二维分布的范围变大。对于数值结果,M22元素随视场角的增大而增大,M33和M44元素随视场角的增大而减小,其他元素没有明显变大或变小的趋势。其次,分析了地基激光雷达探测水云时的后向散射偏振特性。对激光雷达探测水云退偏比的敏感性进行了分析,研究了视场角、云高、后向散射比、最大散射次数等因素对水云后向散射退偏比的影响;提出了一种计算光子在多层水云内辐射传输的算法,将实测数据代入多层传输模型,得到了更贴合实际的仿真结果;根据实测的云滴谱数据仿真计算了不同类型水云的后向散射线退偏比,发现不同类型云层的退偏比廓线相差较大;利用半解析蒙特卡罗模型分析研究了地基激光雷达探测时多次散射对水云光学参数的影响,结果表明,在反演水云光学参数时,多次散射的影响不可忽略。最后,初步分析了星载激光雷达探测水云的后向偏振特性。分析了水云光学厚度对星载激光雷达探测水云退偏结果的影响,得出随着水云光学厚度的增大,退偏比也逐渐增大;计算了各散射次数在全部散射中的退偏比和接收能量占比,结果表明,各散射次数对应的退偏比占比普遍小于能量占比;研究了星载激光雷达探测不同类型水云的退偏比,结果表明,高层云和大陆性积云的退偏比数值与其他类型水云相比较小;将地基激光雷达观测得到的水云各项参数作为该水云的固有物理光学属性,仿真了基于星载激光雷达探测该水云时接收到的后向散射回波,并通过回波分析了激光在水云中的多次散射程度,结果表明在云底处,多次散射信号占单次散射的52%,产生了严重的多次散射。