随着对光学遥感信息获取需求的增加,众多科研人员深入研究偏振光谱成像技术。利用该技术获得目标的二维空间信息、偏振信息和光谱信息可以丰富目标特性,增加目标重建的准确度。因此,该技术被广泛应用到自然资源探测、环境变化探测、军事目标探测等领域。空间调制偏振成像技术（Spatially Modulated Imaging Polarimeter,SMIP）属于偏振光谱成像技术的一种,SMIP在传统的成像系统中插入一个空间调制模块就可以实现目标全斯托克斯（Stokes）偏振信息测量,频繁更换结构中的滤波片和半波片就可以获得目标的光谱信息。SMIP具有无运动部件、对于动态目标可以实时获取的优点。SMIP最早由日本学者OKA提出,在其基础上,国内外学者在对它的结构和数据解调算法等方面进行优化改进。虽然SMIP技术经过这么多年的发展,但是,SMIP技术还存在一些不足:（1）由于SMIP系统内部有半波片,在装调过程中会存在装调角度误差,使系统引入额外的相位延迟,导致偏振信息解调精度下降;（2）由于SMIP系统内存在半波片和滤波片,为获得目标不同波段的偏振信息,需要频繁更换这两个波片,大大降低了探测效率;（3）SMIP系统偏振信息解调大多数采用傅里叶频域滤波解调方法,在解调过程中会带来通道串扰、高频损失和引入解调噪声的问题,降低偏振信息解调精度。目前SIMP的这些不足,大大限制了SIMP系统工程化应用。因此,针对SMIP系统存在的上述不足,本论文完成了以下的主要研究:针对空间调制偏振成像系统结构进行深入研究。由于目前的空间调制偏振成像系统结构内存在半波片,在装调过程中会存在装调角度误差,使系统引入额外的相位延迟,降低偏振探测精度。因此,对空间调制偏振成像系统结构进行优化改进,提出基于两块Savart偏光镜的空间调制偏振成像系统结构。新的系统结构移除SMIP系统内的半波片,并用一个改变光轴方向的Savart偏光镜和一个常规Savart偏光镜作为新系统的空间调制模块。分析了新系统结构中改进Savart偏光镜的相关特性并对新系统结构理论建模。对新系统结构偏振信息解调过程中,不同斯托克斯（Stokes）通道采用不同的滤波函数,进一步提高新系统结构偏振信息解调精度。运用本文提出的基于两个Savart偏光镜空间调制偏振成像系统,避免了半波片装调角度误差,有效降低装调难度,节约仪器研制成本,且偏振数据解调峰值信噪比提高2倍。针对空间调制偏振成像系统获得光谱探测能力研究。首先,介绍了计算层析成像光谱技术相关的知识,其中,重点介绍了它的结构、原理和光谱图像数据复原算法。其次,在计算层析系统中插入基于两块Savart偏光镜空间调制偏振成像系统的空间调制模块得到新的系统,新的系统具备偏振空间调制与计算层析系统的功能,将其称为“空间调制型计算层析偏振光谱成像系统”。之后,对空间调制型计算层析偏振光谱成像系统进行理论建模。最后,计算系统内关键器件的参数,重点介绍了该系统数据重建的原理算法。本文提出的空间调制型计算层析偏振光谱成像系统通过一次测量两次解调就可以得到目标的偏振、光谱、强度和二维空间信息,弥补了空间调制偏振成像系统无法快速获得目标光谱信息的不足,对空间调制偏振成像系统工程化应用具有重要意义。针对空间调制偏振成像系统空域解调算法进行深入研究。为避免SMIP系统采用傅里叶频域滤波解调偏振信息时带来的通道串扰的问题,对SMIP系统重新进行理论建模,将偏振信息解调的问题转化为解欠定方程组寻最优解的问题。为提高欠定方程组求解的精度,抑制求解算法在迭代过程中噪声的影响,将TV正则化算法与Tw IST算法相结合得到Tw IST-TV算法。Tw IST-TV算法求解SMIP系统的偏振信息具有求解精度高、收敛速度快等优点。本文提出的解欠定方程组空域解调方法弥补了傅里叶频域滤波存在通道串扰和高频损失的缺点,同时空域解调算法的复杂度不高,空域解调空间调制偏振成像系统的偏振信息解调的峰值信噪比平均提高3d B,对空间调制偏振成像系统偏振数据的高精度获取具有重要意义。本论文提出了基于两个Savart偏光镜空间调制偏振成像系统、空间调制型计算层析偏振光谱成像系统和空域解调空间调制偏振成像系统的方法,均对其进行了仿真分析和实验验证,对推进空间调制偏振成像系统工程化应用具有重大意义。