本发明涉及一种自然光水下偏振成像方法，包括：通过第一偏振图像和第三偏振图像建立第三偏振图像的第一模型；通过第二偏振图像和第四偏振图像建立第四偏振图像的第二模型；根据第三偏振图像的光强度和第三偏振图像的第一模型得到第五偏振图像的光强度；根据第四偏振图像的光强度和第四偏振图像的第二模型得到第六偏振图像的光强度；根据第五偏振图像的光强度和第六偏振图像的光强度得到最终水下图像目标辐射光的光强度。本发明通过研究水下图像颜色失真的原因，得到第五偏振图像的光强度和第六偏振图像的光强度，从而恢复场景的色彩信息，之后利用第五偏振图像的光强度和第六偏振图像的光强度，重建无色彩畸变的清晰的最终水下图像。
