水面溢油污染会对生态环境和人类健康造成巨大危害,因此,能够及时发现水面溢油并采取措施对生态环境的保护具有重要意义。传统光学遥感溢油检测研究中,随着油膜厚度变薄,其光学特性发生了显著变化,油膜与背景水体之间的差异减小,水面油膜检测的难度也随之增大。随着遥感溢油检测技术的不断发展,偏振信息在溢油污染检测中的重要性逐渐显露出来,水面溢油具有显著的偏振散射特性,将描述偏振散射特性变化的穆勒矩阵应用于遥感探测,能够很好地提高水面溢油检测能力。针对水面溢油目标的偏振散射特性,本文在偏振光学的理论基础上,分析了目标穆勒矩阵的测量方法,搭建了多角度穆勒矩阵测量系统,设计了目标表面光学特征的提取方法,建立了能够估计散射相似性参数的函数关系,通过对目标偏振散射特性的分析提出了散射相似性参数差异（Scattering Similarity Parameter Difference,SSPD）这一特征参数,结合振幅比、相位延迟和SSPD这三个光学特征,在区分水和油膜方面具有重要意义。主要研究内容归纳如下:（1）阐述了偏振光学的理论基础,包括偏振光、光学系统及目标散射过程的数学表征方法。重点介绍了穆勒矩阵的偏振特性,以及散射矩阵、协方差矩阵和相干矩阵的定义。（2）对目标表面光学特征的提取展开研究。根据穆勒矩阵测量系统介绍了测量方法,将穆勒矩阵转换成穆勒琼斯矩阵,从中提取振幅比和相位延迟。对散射矩阵进行Pauli分解,研究目标与典型散射体之间的散射相似性参数,基于菲涅尔反射条件,建立散射相似性参数与振幅比、相位延迟的函数关系,从而对散射相似性参数进行估计。（3）利用穆勒矩阵测量装置测量水和油膜样品的穆勒矩阵,分别计算样品的振幅比、相位延迟和散射相似性参数,分析样品间偏振散射特性差异,通过比较散射相似性参数估计值和测量值,证明推导得到的函数关系的可靠性,进一步提出能扩大水和油膜之间散射特性差异的特征参数SSPD。实验结果表明,水和油膜的振幅比、相位延迟有明显差异,可以作为区分水和油膜的重要依据。GII油、仪扬油、凝析油与水之间的SSPD差值的均值分别为0.1223、0.1291和0.1305,放大了水和油膜之间散射特性差异,且在SSPD等于0时,水和三种油膜的入射角相差约4°,可以较为容易地区分水和油膜。本文对目标的偏振散射特性展开研究,提取振幅比和相位延迟,进一步提出特征参数SSPD,综合这三个光学特征共同区分水和油膜为水面溢油检测提供了方法参考。