太阳光在地球大气传输过程中产生的散射会呈现出固有的偏振特性，因此利用大气散射偏振态分布特性及其与太阳照射几何以及地表观测几何之间存在的对应关系，为地球大气层内导航提供了可能。然而因气象变化造成的大气组分改变会直接影响光散射分布，从而影响基于偏振态分布的方向定位精度，因此在偏振导航实际应用过程中，其方向指引精度受大气状况影响较大。为研究不同气象条件下天空偏振态变化内在机理，研制了一台天空可见-近红外光谱偏振态自动测量仪。该仪器可按需进行定时段、定天区、多天候天空光谱偏振态测量，采用分时偏振同时分谱非成像测量体制。仪器主要由偏振分析模块、偏振检测方位定位驱动电机、微型光谱仪、GPS定位模块、嵌入式采集控制模块、二维载重转台等部分组成，光谱范围为390～960 nm，光谱分辨率为1.5 nm，观测视场为3°，光谱线偏振度测量精度优于98.85%，偏振角测量精度优于0.1°，单点观测时间小于9 s。经实验室定标和外场测试，表明该仪器可在多种气象条件下稳定观测天空光谱偏振态，其测量数据可用于天空偏振态影响机理相关研究。

供配电系统是星载偏振成像仪电子学系统的重要组成部分，它不仅要满足将卫星平台提供的一次电源转换成载荷所需的各种二次电源的功能需求，同时还需要满足载荷在轨运行时的高可靠性和长寿命要求。电子元器件的应力分析法是分析电子系统可靠性的一种重要方法，基于应力分析法并根据GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》，对星载偏振成像仪供配电系统各组成部件的电子元器件进行失效率计算，并结合系统结构框图对系统的可靠度进行分析。分析结果表明，采用冷贮备的冗余设计方式可以明显提高系统的可靠度。

为探究多角度偏振在紫外波段对气溶胶层高 (ALH) 的探测能力，在不同的观测几何、气溶胶和地表类型等条件下系统评估了多角度偏振在紫外波段的ALH反演信息量。基于最优估计理论和信息量分析方法，分析了紫外波段365 nm和388 nm两个通道模拟仿真数据对ALH的灵敏度，并进一步讨论了不同观测组合对ALH信息量和后验误差的影响。研究结果表明：(1) 多角度偏振观测可有效提高ALH反演的信息量。(2) 多角度卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升，当反演中使用的角度数增加到5个时，ALH的信号自由度 (DFS) 提升了0.4以上。(3) 添加388 nm波段偏振观测或365 nm波段强度观测这两种方案均能提升ALH的DFS。但相对而言，偏振观测方案受气溶胶模型误差影响更小，能更好地提升ALH反演的信息量，尤其是改善了低气溶胶光学厚度 (AOD) 条件下的ALH反演。

大气细粒子气溶胶主要来源于人类生产生活排放，可以反映人为活动对大气的影响，因此细粒子气溶胶光学厚度 (AOD_f) 是大气环境领域重要的基础大气参数之一。本研究基于查找表反演方法，利用高光谱观测卫星［GF-5 (02)] 多角度偏振成像仪 (DPC) 数据，得到2022年春季 (3―5月) 的全球陆表AOD_f，并通过AERONET对反演结果进行了初步验证。对AOD_f的分析结果表明：1) 全球陆表AOD_f分布呈现明显的南北差异，南半球基本为低值，北半球的高值区域主要集中在亚洲地区；2) 中国地区陆表AOD_f在“胡焕庸线”两侧差别显著，东南侧的高值主要集中在川渝腹地、华北平原和两广地区，而西北侧基本表现为低值覆盖，人为和自然因素均对AOD_f的分布有一定的影响；3) 南亚地区和非洲中-北部的AOD_f分布与当地燃烧活动产生的烟尘以及季风环流等因素有一定的相关性。此外，DPC的AOD_f数据与MODIS细粒子产品的对比结果表明二者的AOD_f高值区域分布基本一致，而DPC在高亮地表有着更为完整的反演结果，可以为全球和重点区域的大气环境监测提供支持。

2021年9月我国成功发射的高分五号 02 星［GF-5(02)] 上搭载有多角度偏振成像仪 (DPC) 和高精度偏振扫描仪 (POSP), 组成了“偏振交火”观测方案。为评价GF-5(02)卫星DPC传感器的在轨辐射性能, 基于2022年1月DPC和POSP观测数据, 采用海洋瑞利散射和“偏振交火”交叉定标两种方法, 实现了DPC在轨绝对辐射定标和视场内相对辐射一致性检验。结果表明, DPC/GF-5(02)在轨后的绝对辐射和相对辐射响应较发射前的实验室定标结果均未发生明显改变, 在轨前后各波段绝对辐射系数差异均小于5.3%, 视场内相对辐射响应变化均小于2%。其中, 443 nm波段瑞利散射和“偏振交火”交叉两种方法获得的绝对辐射定标系数一致性较高, 偏差约为2%；而490 nm和670 nm波段两方法定标结果偏差较大, 偏差分别为7.4%和7.7%。整体上, DPC/GF-5(02) 在轨后的辐射稳定性优于DPC/GF-5。

2021年9月7日发射的高光谱观测卫星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划 (2015-2025)》中规划的一颗业务星，是我国高光谱遥感能力的重要标志。高光谱观测卫星运行于高度为705 km、降交点地方时为10：30的太阳同步轨道。针对细颗粒物探测，卫星配置了偏振交火传感器，通过由高精度偏振扫描仪 (POSP) 与大气气溶胶多角度偏振探测仪 (DPC) 构成的双偏振载荷的联合探测，获取观测区域的气溶胶光学厚度 (AOD)、PM_2.5等气溶胶信息。本文主要介绍了高光谱观测卫星总体技术方案和双偏振载荷方案，详细阐述了偏振交火模式设计要点，包括时统设计、光谱通道设置、光谱匹配设计以及视场匹配设计等工程设计。同时，对偏振交火模式的在轨性能进行了评估，评估结果表明：双偏振载荷的同步观测采集时间差优于0.4 ms，视场匹配误差优于0.066 POSP像元，满足反演应用需求。最后，对双偏振载荷在轨测量精度进行了交叉验证，验证结果表明辐射测量值与参考值拟合决定系数均高于0.96，线偏振度在轨交叉验证平均绝对差异优于0.0088，均满足在轨探测精度的设计要求。

散射矩阵是描述介质散射特性的重要参数，该参数对介质的理化特性敏感。为研究利用该参数对气溶胶进行识别及理化特性获取的可行性，设计并实验测量了聚α烯烃和氯化钠两种气溶胶样品的散射矩阵，讨论了二者矩阵元素的角度分布规律，并基于Mie散射理论，采用模板匹配的方法利用测量结果对聚α烯烃气溶胶的粒径分布进行了反演。结果表明通过矩阵元素的角度分布规律可以对两种气溶胶进行有效识别与区分，结合相关散射模型与反演方法还可以获得气溶胶的理化特性。该研究为气溶胶识别及其理化特性的获取提供了方法参考。