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。

研究了黄海海域的天空光偏振分布模式,分析了海洋上空日光和月光的偏振特性分布规律以及云层对其产生的影响。基于瑞利散射理论对日光和月光的偏振分布模式进行仿真,利用图像式全天空偏振模式测试系统对黄海海域的天空偏振模式进行测试,分别将日光和月光的偏振测试结果与对应的理论仿真结果进行对比,并重点分析子午线方向和中性点的异同。结果表明:测试得到的日光和月光的子午线方向与对应的理论模式基本一致;测试得到日光的偏振模式中性点与理论仿真结果基本相同,但是测试得到月光的偏振模式中性点与理论仿真结果明显不同,在民用暮光阶段,天空光的偏振模式会受到月光和日光的双重影响。此外,云层会影响偏振方位角和偏振度的观测,致使测试仪器目前无法识别部分区域的偏振分布结果。

针对惯性系统(INS)与卫星组合导航容易受到干扰的局限性, 为提高海上作战船舰的自主导航能力, 提出基于全天域大气偏振光特性辅助定向自主导航方法。在分析全天域偏振光中性点的运动规律的基础上, 采用“两点一线”原理使用中性点确定载体航向角并结合电磁计程仪(LOG)测得的航速信息辅助惯性系统进行导航, 采用卡尔曼滤波最优算法对组合导航系统进行了信息融合。matlab仿真结果表明基于全天域偏振光中性点/LOG/INS组合导航方法能够有效抑制INS导航定位误差, 使船舰航向角误差稳定在0.6°, 水平速度误差稳定在0.7 m/s, 水平位置误差稳定在10 m, 增强了船舰的自主导航性能, 并且具有高度的隐蔽性和抗干扰能力, 具有一定的**工程应用价值。

中性点是大气偏振模式的重要分布特征之一，在偏振光导航、大气环境监测、遥感探测等方面具有重要价值。在分析大气偏振模式的偏振度分布特性和中性线分布特性的基础上，提出了两种中性点检测识别方法，实现了对中性点的自动识别。实验结果表明，两种方法均实现了对实际大气偏振模式中性点的识别。其中，基于中性线相交特性的中性点识别方法具有较高的精度；基于偏振度分布的中性点识别方法具有较好的稳定性，在正午时分，优于基于中性线相交特性的中性点识别方法。综合运用两种方法，可以进一步提高对中性点的检测与识别精度。

偏振遥感是遥感领域的一个新兴对地观测手段, 地物反射的偏振效应是偏振遥感进行观测的基础。 然而, 地物反射具有偏振效应, 大气粒子的反射与散射也具有偏振效应, 并且大气的偏振效应往往大大强于地物偏振效应。 当用偏振遥感器对地表目标进行观测时, 大气的强偏振效应会干扰甚至覆盖地物的偏振信息。 因此, 如何最大限度地消除大气的偏振效应对地物偏振效应的影响是偏振遥感的一个关键性问题。 大气中性点是大气中偏振度趋近为零的区域。 利用大气中性点进行地-气分离理论的核心思想是将探测器放置于中性点区域进行对地观测, 以减弱大气偏振对地物偏振的影响。 基于国内首次大气中性点偏振遥感航空飞行实验, 通过处理和分析实验所得影像数据, 分别得到了中性点位置和非中性点位置影像偏振度分布, 发现中性点位置偏振度集中分布区域要明显小于非中性点位置, 验证了利用大气中性点进行地-气分离理论的合理性和可行性, 提出了利用中性点进行偏振遥感实验所需要的条件, 并初步分析出, 波长较长的波段更适合于偏振遥感观测。

为研究曙暮光时分天空的偏振模式, 确定了太阳光偏振模式与月光偏振模式在曙暮光时分天空偏振模式形成中所起的作用。首先基于Rayleigh散射理论, 运用matlab对太阳光与月光的偏振模式进行仿真, 分析二者的差异性; 接着利用成像式全天空测试系统对曙暮光的偏振模式进行测试, 获取了晴朗天气下曙暮光偏振模式分布图; 最后将测试结果与太阳光和月光偏振模式分别进行对比, 基于中性点位置、中性点数量和子午线方向确定了太阳光与月光对曙暮光偏振模式的影响。结果表明: 曙暮光偏振模式测试分布图与太阳光偏振模式理论分布图更加接近,证明了太阳光偏振模式在曙暮光时分天空偏振模式的形成中起主要作用。