太阳光在大气传输过程中,由于大气中的空气分子、气溶胶粒子的散射作用以及云层、地表等非金属表面的反射作用,产生的大量偏振光在天空中形成了特定的偏振态分布,称为大气偏振模式。大气偏振模式是仿生偏振光导航、空中目标检测等领域的理论基础,也是遥感探测、大气光学分析的重要对象。研究大气偏振建模与仿真,计算并分析模式的状态特征、变化规律,能够为以上各种应用性研究提供理论基础,具有重要的指导意义。本文采用新的光波描述方式,分别构建出理想与实际大气偏振模型,结合真实环境状况,仿真并分析大气偏振数据。本文的主要工作如下:(1)综述了现有大气偏振建模与仿真的研究现状,指出现有方法存在的问题。研究大气偏振模式的形成机制,分析了光的大气散射过程及地表反射过程的简化模型。(2)采用电矢分量法结合斯托克斯矢量描述光波,分析了单点单次瑞利散射过程。利用电矢量特性解释了现有模型中偏振角的物理意义,并定义了新的大气偏振信息表征方法。(3)建立了一种基于电矢量描述的理想大气偏振模型。建立天球坐标系与东北天坐标系,利用两坐标系之间的转换关系,将单次瑞利散射分析方法应用于全天域,实现了理想情况下大气偏振信息的计算。仿真结果显示模型正确有效,解决了现有理想模型无法扩展到实际模型的问题。(4)建立了一种基于光波传输过程的实际大气偏振模型。研究气象状况与能见距离的关系,设计并定义天气分类及其属性。将菲涅耳公式应用于天球坐标系,实现了光的地表反射建模。叠加光的散射模型、大气传输模型及地表反射模型,获得全天域天空偏振光的描述。结合真实地表环境、天气情况设计仿真实验,初步分析了实际大气偏振模式的变化规律。