为了研究偏振光在椭球细粒子中多次散射的传输特性，建立了以黑碳气溶胶粒子为对象的仿真与实验验证系统。采用T矩阵和蒙特卡罗相结合的方法，对偏振光经随机取向椭球细粒子多次散射后的偏振传输特性进行仿真研究，建立半实物模拟测试平台对仿真方法进行验证，采用延长灵芝孢子燃烧时间的方式制备椭球细粒子，分别由马尔文粒度仪和光功率计测试椭球细粒子的尺寸分布和光学厚度，建立实验与仿真间的联系，验证了仿真结果的正确性。结果表明：随着黑碳椭球细粒子浓度的增加，水平、垂直、+45°线偏光和右旋圆偏光的偏振度都随之下降，且3种线偏振光的保偏性基本一致；随着浓度的增大，圆偏振光的保偏性逐渐优于线偏振光，且两者保偏性差距越来越大，在光学厚度为3.12时达到最大值，当光学厚度大于3.12时，圆偏光和线偏光的偏振度差值趋于稳定。经计算，仿真与实验结果符合度优于70.84%。本研究结果可扩展偏振探测的适用范围，为非球形颗粒物环境下偏振探测研究提供理论支撑。

在介绍偏振三维成像机理、四孔径偏振三维成像仪组成的基础上，开展四孔径相对偏振方向对偏振三维成像精度影响分析，确定四孔径相对偏振方向精度要求。制定了四孔径镜头偏振片相对偏振方向定标方法和四孔径偏振三维成像仪相对偏振方向定标方法，搭建了定标装置，在实验室内开展了相对偏振方向定标。四孔径镜头偏振片相对偏振方向定标误差为±0.5o，四孔径偏振三维成像仪相对偏振方向误差为±1o，从而可保证偏振三维反演的法向量误差为-5.47%~5.80%，为偏振三维成像仪高质量成像提供保障。

针对含有自由曲面的空间光学系统中偏振像差对探测精度和成像质量的影响，基于琼斯表示法，提出以条纹泽尼克多项式为表征函数的自由曲面离轴光学系统偏振像差分析方法，构建了自由曲面反射光学系统偏振像差解析模型，分析了条纹泽尼克多项式低阶系数对视场离轴光学系统偏振像差分布的影响；通过全视场偏振光线追迹仿真及系统引入自由曲面前后的对比，揭示了自由曲面对离轴光学系统相位像差、相位延迟和二向衰减3种偏振像差的作用规律；最后，设计了含有自由曲面的大视场离轴三反偏振成像光学系统，并分析了系统全视场的偏振像差。分析结果表明：相位像差分布与自由曲面面形矢高分布一致，自由曲面引起的二向衰减和相位延迟占系统总体二向衰减和相位延迟的52.5%。掌握这种偏振特性变化对于设计深空天文望远镜等甚高精度的光学系统具有重要意义。