大气偏振模式是天空的固有属性,是天空偏振光在大气中的稳定分布,其中蕴含着丰富的时间和空间信息,大气偏振模式分布规律的研究对动物导航行为、大气特性、地表环境特征以及仿生偏振光导航具有重要的理论与应用价值。论文针对大气偏振模式分布规律研究需求,研制了一套大气偏振模式全偏振测量成像系统,并开展了相关实验研究。本文主要研究工作如下:（1）开展了大气偏振模式全偏振测量成像系统设计与仿真,通过ZEMAX对鱼眼镜头、中继透镜、微距镜头进行光学仿真,确定了透镜之间的光学距离,实现了仿真系统的最优成像。针对因操作设备对全偏振获取实验的影响,本文采用高精度压电谐振旋转器控制四分之一波片旋转,基于MFC开发了一套成像系统控制软件,实现了对四分之一波片旋转、相机控制以及偏振信息实时获取与显示。（2）针对因系统传输矩阵存在“病态”的情况进而导致系统获取的偏振信息易受噪声影响的问题,本文采用条件数分析法,分析了系统传输矩阵的条件数和行列式,得到了传输矩阵求解的约束条件,建立了求解传输矩阵的目标函数,通过将最优传输矩阵的求解问题转化为多条件极值问题,确定了传输矩阵在约束条件下的最优角度,获得了系统的最优传输矩阵。此外,并对优化后的系统开展了标定工作。（3）开展了外场全偏振信息获取实验,通过对比晴天实验与Rayleigh仿真结果的Aop和Dop,验证了系统的有效性;通过分析晴天、多云等天气下全天的全偏振信息分布,研究了实测天气Dop和Dolp的误差随时间的变化趋势。通过研究晴天和多云天气下天空偏振光Stokes矢量中V分量和天空Docp的正负数值分布情况和均值变化情况发现:V分量和Docp存在一定的相似性,但也存在区别,同时发现Docp的均值无论是在晴天还是在多云天气下都较为稳定,均在0上下波动。