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。

为了避免常用的天空光偏振模式测量仪器中鱼眼镜头所引起的图像边缘区域扭曲的缺点, 采用手机相机和线性偏振片相结合的方法, 进行了理论分析和实际验证, 得到了大气偏振模式的分布情况和中性点位置的数据。结果表明, 实际测量的中性点区域与理论仿真的结果间高度角的偏差为2.4°±2.6°,方位角的偏差为1.4°±0.8°, 证明了测量方法的可行性, 随着天空中云层的增加, 天空光偏振分布图像会发生扭曲, 但仍然可以确定中性点位置, 为天空光偏振仿生导航提供了参考。该研究可用来确定太阳位置、实现自身定向及导航定位, 并且具有易操作、便携等优点, 在一定程度上降低了天空光偏振仿生导航的成本, 提高了民用价值。

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°。

研究了气溶胶对大气偏振分布的影响。基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模式,对不同气溶胶条件下的偏振分布模式进行了仿真。利用图像式测试系统,对实际大气条件的偏振模式进行了测试,分析了气溶胶质量浓度变化对偏振模式的影响。结果表明,偏振度受气溶胶质量浓度的影响较大,随着气溶胶质量浓度的升高,偏振度不断变小。当PM10的质量浓度由27 μg/m ³增加到53 μg/m ³再增加到103 μg/m ³,PM2.5的质量浓度由9 μg/m ³增加到28 μg/m ³再增加到66 μg/m ³时,最大偏振度值平均减小了约25%。气溶胶对偏振方位角几乎没有影响,偏振方位角的分布稳定。

根据大气偏振模式形成机理, 提出了利用多偏振敏感器测量太阳矢量(矢量方向)的方法.介绍了大气偏振模式的形成, 设计了由两组偏振单元组成的偏振敏感器, 论证了偏振单元之间的最佳设计角度, 分析了利用偏振敏感器从大气偏振模式中提取太阳方位信息的方法, 进而提出了利用多偏振敏感器测量并结合最小二乘法解算太阳矢量的方法, 针对该算法进行了实验验证, 并与双偏振敏感器测量太阳矢量方向的方法进行了对比分析.分析结果表明, 利用多偏振敏感器测量不仅可以得到高精度的太阳矢量方向, 太阳矢量的方位角误差和高度角误差分别为0.2°和1.0°, 还解决了双偏振敏感器测量太阳矢量方向时由于最大偏振方向平行引发的突变问题.实验结果验证了利用多偏振敏感器(≥3)测量太阳矢量的方法是可行的.

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。

为了有效利用全天域的偏振光信息, 探究仿生偏振光导航机理, 设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法, 推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式, 将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题, 推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后, 设计了静态实验与转动实验, 对理论分析结果进行了验证。实验结果显示: 测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致, 并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°, 误差标准差为0.14°; 基于1 h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6 km。转动实验(转动两周)得到的最大定向误差约为0.5°, 误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理, 为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。

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。

针对偏振光导航航向获取需求，提出一种以全天域大气偏振模式作为信息来源实现载体航向解算的新方法。该方法利用“沿着太阳子午线方向的E 矢量垂直于太阳子午线”这一偏振特性实现太阳子午线特征点提取，采用最小二乘法确定太阳子午线在载体坐标系下的方位角；并利用“太阳子午线附近的偏振度小于逆太阳子午线附近的偏振度”的特性，解决航向获取角度歧义性的问题；结合太阳在地理坐标系下的方位计算航向信息。实验表明，在设定的全天域偏振信息采样方式下，该方法在不同时刻、不同航向、不同采样点数下的航向获取精度为0.05°内；在偏振角测量误差8°以内，平均误差仍在0.2°内；证明了该方法解算精度高，适应性好，可以有效解算航向信息。