根据仿生偏振导航对天空偏振模式信息的需求，设计实现了一种利用具有180°视场的鱼眼镜头构建的偏振成像系统采集天空偏振信息，并将采集得到的平面二维偏振模式经Matlab 程序处理后还原为空间偏振模式分布，从偏振成像理论进行分析，并对所需要的实验设备进行标定，得到了实验中鱼眼镜头的成像公式及参数，并对所采集的图像进行视场校正。标定与校正后所得空间偏振模式分布与单次瑞利散射理论模型保持一致，且具有较高的相似度，其中偏振方位角相似度可达82.4%，偏振度相似度可达96.91%。

针对现有偏振测量系统在观测全天域偏振模式时的不足, 本文设计实现了一种具有近 180°视场的成像式全偏振测量系统。系统由鱼眼镜头、中继镜片、偏振片、 1/4波片、微距镜头、 CMOS相机等组成, 具有大视场、全偏振测量、便携性等特点。文章首先介绍了系统结构、工作原理和光学设计, 并提出相应的标定方法以获取系统标定 Muller矩阵。标定实验结果表明, 系统线偏振测量误差小于 3%, 圆偏振误差小于 10%。最后, 利用系统在晴朗天气下进行了波长为 488 nm的外场实验, 获得了日落时分全天域的全偏振分布模式, 实验结果与理论值相一致, 验证了该系统在全天域偏振特性观测上的有效性。

为了满足监控系统中单镜头可实现全景监控的需求, 运用仿生学原理, 在原有鱼眼镜头的基础上结合监控系统的需求, 运用ZEMAX软件设计了一款视场为180°, 相对孔径为1/1.6的鱼眼镜头。该镜头由9片透镜组成, 总长度为68.5mm, 采用1/3英寸CCD作为图像接收器件。在120lp/mm时, 其MTF曲线在轴上大于0.4, 在80lp/mm时, 在0.7带上大于0.3。由于是超广角镜头, 此镜头畸变很大, 在边缘视场具有接近100%的桶形畸变。