光的偏振特性是光的固有属性之一,偏振信息包含了观测对象的物理状态信息。偏振观测带来观测目标信息量的增加,其对于地物目标的识别能力有较大的提升,同时偏振信号对粒子尺度、形状等微物理参量也较为敏感,偏振数据的应用在对云与气溶胶粒子研究中起到重要作用。法国CNES的POLDER系列卫星提供了多年的偏振观测数据,并于2013年结束了任务。中国即将发射高分五号卫星,其上搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC),将是中国第一个具有偏振多角度观测能力的星载探测器。本文开展了偏振成像方面的研究,研究了偏振成像过程中涉及到的各个参数,以及复杂大气条件下的偏振成像,最后利用散射理论研究云的偏振特性。偏振遥感图像成像的关键是建立偏振成像模型,由于偏振辐射传输具有矢量特征,本文先从求解矢量辐射传输方程入手,分别对地表、大气、气溶胶等参量进行研究。结合地表、大气、气溶胶模型,利用矢量辐射传输方程,根据成像几何位置条件计算出偏振分量,最后转化为总反射率和偏振反射率。经过与6SV模型计算结果对比,验证了所建模型在简单气溶胶模式下的计算准确性。利用PARASOL产品反演的陆地、气溶胶参数模拟PARASOL数据,并与实测数据对比,验证了模型的有效性。在所建立偏振成像模型基础上,讨论了复杂大气条件下的偏振成像。模拟了灰霾污染天气条件下的辐射强度图与偏振强度图,并利用灰度频率图法定量化研究了该图像特征,与晴空条件下的成像进行对比分析,结果显示:在灰霾气溶胶污染条件下的偏振成像能够较好反映灰霾气溶胶的辐射与偏振辐射特性。结合灰霾气溶胶偏振成像,研究了灰霾气溶胶的偏振特性,讨论了偏振辐射对灰霾气溶胶粒子复折射指数、光学厚度与谱分布的敏感性。分别研究了水云与冰云偏振成像所需的参数,包括粒子谱分布、水和冰的复折射指数、粒子大小范围等。模拟了水云覆盖下的图像,并用PARASOL实测数据验证了其精度,结果表明其在模拟大陆上空积云时精度较高。利用Mie与T-matrix散射理论计算了水云和冰云粒子的散射特性。模拟了不同形态冰晶粒子构成情况下的卷云偏振辐射,得出轴长100μm,边长12.5μm的六棱柱形粒子与实际观测值匹配度较高。基于陆地上空污染与清洁积云的偏振特性,提出一种污染与清洁积云的区分算法。分析了地表类型、云光学厚度不同对于该算法的影响。利用PARASOL二级云产品数据进行算法验证,结果表明使用该算法可以很好的区分陆地上空的污染与清洁积云。