偏振成像不仅能够获得光强、光谱和空间信息,还能够获得偏振度、偏振方位角、偏振椭率和旋转方向等更多维度的信息,对获取到的偏振信息的有效处理有助于获得更好的成像效果。偏振成像技术已被广泛应用于探测、导航、遥感、医学诊断等领域,在散射介质成像领域,偏振成像技术及偏振信息处理方法能够有效降低图像中来自散射介质的干扰,提高目标的能见度,丰富细节信息。散射介质中获取的偏振信息是偏振光和目标、介质共同作用后的结果,若要利用和发挥好偏振成像的优势,获得具有可解释性的偏振信息处理方法,实现良好的偏振成像效果,需要充分理解偏振光的传输特性和机理,遵循“偏振传输建模-偏振传输特性-偏振信息处理”的研究主线。然而当前的研究仍存在着一些问题,如表征目标与介质共存场景中偏振传输过程的物理模型有待完善,目标与介质共存的偏振传输特性的理论研究不够深入,偏振图像处理模型的参数定义和一些估计方法的解释性和可行性存在不足,强散射介质中偏振信息处理效果受到限制等。因此,上述问题的解决对完善散射介质中的偏振成像及处理方法具有研究意义。因此,针对以上问题,本文围绕散射介质中偏振成像与信息恢复方法这一研究内容,主要开展了以下几方面的工作:（1）针对实际应用中目标与介质共存的主动偏振成像的需求,提出了基于蒙特卡罗的目标与介质共存的偏振建模方法,模型包括偏振散射表征模块、目标表面几何表征模块以及表面反射表征模块。通过顺序的追踪并更新偏振光子的运动状态及偏振态,对满足条件的偏振光子进行状态统计,以获得建模的输出结果。该方法考虑了光子运动的随机性,能够用于仿真偏振光在混合介质场景中的传输过程。在此基础上,提出了一种层析偏振建模方法,能够在不影响光子状态的前提下,分别对在任意深度处的前向和后向光子的偏振态进行统计,从而能够将介质中光的偏振态从二维平面分布拓展到三维空间分布,有助于更全面的表征偏振光在介质中的传输特性。实现了提出的整体和层析的偏振建模方法的程序,通过逐模块的验证方式验证了模型的正确性。（2）在前一节提出的目标与介质共存的偏振模型的基础上,针对影响偏振传输特性的常见因素,开展了多因素影响下,目标与介质共存的偏振传输特性的整体和层析仿真实验,根据一对正交线偏振和圆偏振通道在各个条件因素下的偏振态分布,研究了线偏振与圆偏振的传输特性,为偏振成像应用提供理论指导和先验信息。结果表明,层析偏振仿真实验中,通过探测不同深度处的偏振态分布,有助于获得更详细的偏振传输特性,形成偏振态的空间分布模式;影响偏振光子在介质中的散射次数的因素均会对偏振传输特性产生影响;目标对介质偏振特性的影响具有一定的范围,且与介质的传输平均自由程相关;线偏振与圆偏振传输特性的差异主要体现在后向散射偏振态分布上,且在不同层析深度下呈现出不同的偏振成像效果。（3）针对目标与介质共存场景中偏振成像的应用需求,提出了一种可解释的,基于偏振信息的图像复原方法,包括对偏振图像退化模型的参数的重定义,基于偏振差分的传输率参数估计方法,以及目标与介质共存的环境光分量的估计方法。搭建了偏振成像系统,开展了不同介质和目标条件等影响因素的实测实验,实测实验结果表明,该方法能够有效降低散射介质对目标的影响,较准确的还原目标颜色信息,并且能够实现实时处理。然而在高浓度场景中的图像复原效果受到限制,原因归咎于直接偏振差分无法估计出完整的后向散射分量,从而影响了模型参数估计精度和图像复原的效果。在此基础上,为了使降低手术烟雾影响的偏振医学图像能够进一步应用于医学处理和诊断,研究了恢复生物组织偏振信息的必要条件,即需要对偏振图像退化模型的参数进行逐颜色通道、逐像素点的线性估计,基于此原则的图像复原方法被证明具有更好的目标偏振特性恢复效果。（4）针对强散射介质中偏振图像复原效果下降的问题,提出了一种适用于强散射介质的偏振图像复原方法,通过对各个偏振通道强度间的相关性分析,从偏振信息获取的角度,提出一种基于离散电矢量方向的改进偏振差分估计方法,相比较传统差分方法,改进偏振差分能够更好地估计后向散射分量,能够预期提升模型参数的估计精度。利用目标与介质共存的偏振蒙特卡罗模型开展了仿真实验,验证了方法的可行性。为了保证实际应用中的简易性和实时性,分别提出了基于单一偏振通道和多通道协同的改进偏振差分的近似估计方法,并将其应用于偏振图像复原的模型参数估计问题中,形成两种针对强散射介质的图像复原方法。实测实验结果表明,提出的方法有助于进一步提升针对强散射介质偏振图像的参数估计精度和图像复原效果,并保证了目标偏振信息恢复,能够潜在的提升偏振成像的优势。