由于大气层中散射粒子的作用,天空光表现出偏振特性并在天空中形成稳定且有规律的偏振模式。经过不断进化,沙蚁和粪金龟等昆虫的复眼背部边缘区域能够识别天空光的偏振分布模式。昆虫的这一能力为科研人员研发仿生偏振导航技术提供了灵感。在目前天空偏振光特性的研究中,白天日光偏振模式取得了很大的进展;但是受测试环境和时间段的限制,对夜间天空光偏振分布模式的研究相对较少。因此为进一步探索夜间天空光偏振模式变化规律并奠定仿生偏振导航在夜间应用的基础,本文对不同月相下的天空光偏振模式开展了研究。首先,分析了天空光发生散射的过程,论证天空光偏振特性形成原因。其次,基于Rayleigh单次散射理论对太阳和月球位于不同方位时的理论偏振分布模式进行了仿真。利用已搭建的图像式全天空偏振光测试系统对陆地上不同月相下的天空光偏振模式和海洋盈凸月下天空光偏振模式进行测试。通过重点分析偏振模式的中性点和子午线方向,对日落后到日出前时间段内的天空光偏振模式进行了研究。在不同月相下测试偏振模式中开展对比分析,研究月相变化对夜间天空光偏振模式的影响。将测试偏振模式与日光和月光理论偏振模式仿真结果进行对比,分析测试结果和理论仿真之间的差异,探索夜间天空光偏振模式的变化规律。分析对比结果发现在月亮照亮面积比较大的月相时,航海暮光结束后测试天空光偏振模式与月光理论偏振模式基本相同,并与Rayleigh散射理论相一致。在月亮照亮面积比较小的月相时,暮光到月光过度阶段的天空光偏振模式易受到城市人造光源的影响,与月光理论偏振模式不相符,但也存在稳定的偏振分布模式。海洋上空也存在与陆地相似的天空光偏振模式,偏振方位角分布以及子午线方向的测试结果与理论偏振模式相符合,可以利用Rayleigh散射理论对海洋天空偏振光分布规律进行分析。