沙蚁和蟋蟀等生物能通过很小的复眼和大脑利用天空光偏振模式进行导航,完成觅食、回穴等活动,受此启发天空光偏振导航逐渐被人们所重视。仿生光偏振导航技术也由于稳定、精度高和不受外界干扰等优点成为导航领域研究的热点,天空光偏振分布模式作为仿生光偏振导航的信息载体,是攻克仿生光导航技术的关键,因此本文设计了天空光偏振测试仪器并对天空光偏振特性展开研究。本文从大气成分组成出发,研究Rayleigh散射与Mie散射的基本特性,阐述了天空光偏振分布模式的形成机理,引入天球和地平坐标系,建立了基于Rayleigh散射理论的天空光偏振模型,对太阳光和月光的理论偏振分布模式进行仿真分析,得到了月光和太阳光的理论偏振分布规律。搭建了一套适用于长期自动测试的天空光偏振图像式测试仪器,完成了线性度和重复度的标定,就线性偏振片和鱼眼镜头组成的光学系统对入射光偏振态的影响进行了评定和补偿,使测试仪器的测试精度达到测试要求。设计了完整的数据存储分析软件系统,能够对测试数据进行数据存储和实时读取,嵌入了Rayleigh散射模型,方便测试结果与理论模型对比分析,可将测试时间、位置信息、天气状况、气溶胶厚度和能见度等信息存入数据库,便于对天空光偏振模式进行跟踪测试分析；利用测试仪器对天空光偏振模式进行了一系列测试,获得偏振分布模式的连续变化特性、实际测试与理论分布模式的差异,通过对多云和晴天暮光偏振分布模式的分析,得到了两种不同天气下的偏振分布规律以及云对偏振特性的影响。研究对比发现：偏振分布模式随着太阳的位置变化而变化,偏振度关于中性点呈环状分布,偏振方位角呈“。。”形分布,偏振分布模式关于子午线和最大偏振线对称,整个偏振分布模式绕天极点旋转；晴天太阳光偏振度平均值随时间先逐渐增大再减小,然后增大再减小,其中红光偏振度平均值最大,绿光次之,蓝光最小；晴天和多云天气下天空偏振光分布模式相同,多云天气偏振度偏小区域较大；晴天偏振光实际测试分布模式与Rayleigh散射模型基本相同,太阳和太阳附近的光斑破坏了太阳附近的偏振分布模式,利用天空偏振光进行导航和测试时应该避开此区域。