为了实现偏振光传感器在水面波动环境下及编队协同情境下的应用, 并提升无人船导航的抗电磁干扰能力, 设计了一种基于偏振光传感器、微惯性测量单元(MIMU)及全球定位系统(GPS)的组合导航系统, 为偏振光传感器集成了云台底座, 并搭建偏振光无人船平台进行了导航及编队实验。介绍了偏振光导航原理及无人船编队原理; 基于卡尔曼滤波设计了偏振光传感器/MIMU/GPS组合导航算法; 基于上述组合导航算法进行了无人船的循迹与编队实验。循迹对比实验结果表明: 无人船利用偏振光传感器进行组合导航的航向角误差为6.055°, 位置误差为0.209 m, 在磁罗盘受干扰的情况下偏振光组合导航系统仍可正常工作; 编队实验结果表明: 领航船循迹误差为0.425 m,跟随船编队误差为0.707 m。该偏振光传感器可应用于水面环境导航, 偏振光组合导航系统可用于无人船导航与编队。

为了满足偏振光定位的实时性要求，设计了基于STM32的偏振光定位系统，实现了偏振方位角数据的同步采集，降低了系统数据总线的复杂程度及上位机接收数据的复杂度，同时也解决了太阳高度角和方位角的双解问题。首先根据偏振光定位原理设计了4个偏振方位角采集模块，用来采集天空中4个观测方向的偏振方位角，每个偏振方位角采集模块的精度可达±0.2°；其次，设计了太阳方向矢量判断模块，用来解决偏振矢量的180°二义性造成的太阳高度角和方位角的双解问题。实验结果表明：偏振光定位系统可以得到正确的太阳高度角和方位角,并且适用于全天定位;在约55 min的实验中，地理经度和纬度的最大误差分别为±1°、±1.5°；偏振光定位系统满足实时性的要求，定位精度稳定，可以应用于实际定位。

为了提高偏振光导航定位的可靠性和实时性, 提出了一种利用多方向偏振光的自主式导航定位方法并搭建了样机。通过样机多方向阵列结构中的偏振光导航传感器实时检测天空多个方向的偏振光信息, 并对这些信息进行优选和融合处理, 计算得到更加可靠且准确的太阳空间位置。最后根据太阳空间位置, 结合时间和地磁场分布信息, 计算样机所在位置的经纬度, 实现实时定位。基于可视化软件LabVIEW编写样机上位机程序, 能够实时采集样机中传感器数据, 同步处理计算且实时显示载体地点经纬度, 数据更新率可达10 Hz。静态测试结果表明, 定位样机性能稳定, 经度方向上的定位精度为±0.4°, 纬度方向上为±1.2°, 定位精度较高, 可应用于实际导航。

在同一聚碳酸酯基底上制作了6个不同方向的双层金属光栅偏振器, 用于消除分立器件带来的安装误差。将该偏振器应用于偏振导航传感器上并进行了测角精度测试, 基于神经网络法研究了角度测量的误差补偿方法。首先, 基于严格耦合波理论设计了一种亚波长双层金属光栅偏振器, 分析了它的周期和金属厚度对偏振器性能的影响, 其在510 nm波长入射时TM偏振光透射率高于71%, 消光比大于2 100。应用纳米压印技术在聚碳酸酯基底上加工制作了设计的偏振器, 其基底上设有6块结构参数相同但朝向不同的双层金属光栅结构。将此偏振器安装在偏振导航传感器上并在测试平台上测试了测角精度, 测试的原始误差在±1°以内; 经BP神经网络法误差补偿后, 测角误差在±0.2°以内。得到的结果可较好地满足偏振导航的要求。