大气偏振模式为仿生偏振光导航提供方向基准。在大气偏振模式测量系统中，当偏振片透光轴的起始方向与相机的偏振参考轴之间存在偏差角时，测得的大气偏振模式偏振角分布会出现太阳子午线弯曲的现象。为了解决偏差角对大气偏振模式测量产生的影响，通过建立偏差角误差模型，针对偏差角对大气偏振模式测量精度的影响进行了详细的分析；并提出了利用大气偏振模式特征校正偏差角的方法，利用大气偏振模式的中性点和对称性特征获取偏振角分布的最优对称轴，实现对偏差角的校正。实验结果表明，通过对偏差角的校正，能够提高大气偏振模式的测量精度。

大气偏振模式在导航等领域具有广阔的应用前景，但是由于受到大气偏振信息采集装置物理特性的限制，在同一时刻只能获得局部的、不连续的偏振信息，对实际应用产生影响。针对此问题，本文通过挖掘大气偏振模式分布的连续性，提出一种大气偏振模式生成方法，从局部的偏振信息生成全天域的大气偏振模式。此外，偏振信息往往受到不同的天气条件、地理环境等因素的影响，而这些偏振数据在真实环境中难以采集。针对此问题，本文挖掘不同天气、地理条件下有限样本数据之间的多样性关系，以此关系将生成的大气偏振模式泛化到不同的条件下。本论文在仿真数据和实测数据上进行了实验，并与其它最新方法进行对比，实验结果证明了本文方法的优越性和鲁棒性。

为了满足无人飞行器自主导航对姿态参数的迫切需求,提出一种利用大气偏振信息获取载体三维姿态信息的方法。首先充分解析大气偏振模式;然后采用K-means聚类算法解算太阳在空间中的位置信息;最后利用磁罗盘与载体体轴夹角获取载体的航向信息。在已知航向角的基础上,对导航坐标进行基准变换。首先将天顶点与太阳位置处于同一轴向,使得天顶点与太阳位置矢量处于同一基准并同时旋转;然后根据天顶点与太阳位置固有的高度夹角,将俯仰角与横滚角的计算进行转换;最后通过一系列的转换和计算得到横滚角和俯仰角的信息。实验结果表明,利用大气偏振模式解算的太阳位置可获得有效的载体姿态信息,模拟仿真的解算精度可达0.01°,外场实验的精度可达0.1°。

偏振导航的有效性在很大程度上依赖于能否从不同大气状况中获取到有效的全天空偏振分布信息。文中依据矢量辐射大气传输方程仿真分析了无云晴空和混浊大气状况下的全天空偏振度和偏振角分布特征, 并研究了大气混浊度、太阳方位、观测高度和观测波段对偏振分布的影响, 进而探讨了不同大气状况下偏振导航的有效性。结果表明: 太阳位置决定了全天空偏振分布图景的整体形式; 混浊大气对近地层观测偏振信息的影响明显, 当整层光学厚度增大至2以上时, 偏振度将降低至0.1以下, 此时偏振信息的检测难度增大, 不利于导航, 而以晴空为主的中高层大气受混浊大气影响较小, 偏振信息稳定, 且符合Rayleigh单次散射分布特征, 可保证白天全时段导航的有效性; 在无云大气下, 可见光波段内长波段更适合作为偏振导航的观测波段。

提出了一种基于霍夫变换的大气偏振模式∞字形重构方法,基于偏振角数学模型获得了∞字形表征方程, 运用霍夫变换求解未知参数,从偏振角信息中求解方程参数,进而重构出∞字形。实验结果表明∞字形 重构精度优于99%,提出的方法可以有效地从偏振模式中重构出∞字形,为后续偏振光导航提供了一种新的思路。

在利用大气偏振模式进行导航的领域中,太阳空间位置是一个非常重要的导航特征信息,太阳空间位置的获取是导航应用中的一个重要的问题。提出一种基于瑞利大气偏振模式和K-means聚类算法获取太阳空间位置的计算方法。从大气瑞利理论所建立的全天域大气偏振模式出发,根据大气偏振模式中偏振度(DOP)的基本规律对偏振度数据进行K-means聚类分析,将太阳空间位置的求解转换为求解K-means类中心的问题,通过算法仿真实验和实测实验进行验证。实验表明,在晴朗天气条件下同一天不同时刻求解的太阳位置方位角和高度角误差均小于0.01°。算法误差平稳,相对误差可以达到更高的精度,可以有效地利用大气偏振模式解算太阳空间位置。

现有的偏振光导航方法提供的二维方向信息不能满足导航的实际需求，因此，本文提出了一种利用大气偏振模式获取三维姿态信息的方法，选取太阳作为空间显著特征点，利用大气偏振模式信息计算出载体在两次不同状态下的太阳空间位置信息，通过建立姿态变换矩阵获得了载体的三维姿态信息。最后，对不同天气条件、不同太阳空间位置、不同波段以及天空被部分遮挡情况下太阳空间位置计算的误差分布情况进行了仿真分析和实际测量。实验结果显示，当天空有气溶胶粒子分布时，蓝色波段下的计算误差最小，方位角和高度角的误差分别为1.50°和2.10°; 当观测视场中有树木遮挡时，方位角和高度角的平均误差分别为0.91°和1.97°，由此表明本文方法能够有效提取太阳的空间位置，获得载体的三维姿态信息，并满足实际导航的需求。

有效提取大气偏振模式信息是实现偏振光导航应用的前提条件。借鉴昆虫偏振敏感机理，设计了一种基于“3对偏振对比单元+1个光强检测单元”的仿生偏振光检测系统，详细阐述了光学前端接收结构、信号调理及主控硬件电路等功能模块设计。针对偏振正交误差的影响，基于激光器、调节台、偏振分析仪搭建了系统测试标定平台，并分别在室内暗场和室外晴朗天气下对传感器系统的输出偏振角进行了测试。结果表明，该系统偏振角平均误差小于0.5°，能够提供准确的航向信息，实现大气偏振模式的稳定获取。

基于多光谱多角度偏振辐射探测研究了大气偏振模式预测方法。首先, 介绍了航空多角度偏振辐射计的探测原理与支持向量机回归算法;然后, 从矢量传输模型出发, 说明大气状况不变时, 偏振模式主要取决于地表特征与观测几何, 并介绍了观测几何与姿态之间的关系以及地表特征的表达形式;最后, 在考虑平台姿态与地表特征的情况下, 利用支持向量机回归算法预测了航空多角度偏振辐射计的探测偏振度, 并对预测与实际试验探测的偏振度进行了比较。结果显示: 偏振度预测误差小于1%, 影响模型精度的主要因素不是姿态变化本身, 而是姿态改变造成的观测地表特性变化。