基于大气偏振模式特征感知的导航方法研究

针对仿生偏振光自主导航理论中关于大气偏振模式获取与解析的关键科学问题，本项目运用仿生学思想，以沙蚁高度敏感的偏振视觉感知机理为仿生背景，研究并采用智能信息处理的方法，阐明POL-神经元在微纳米尺度上的光敏效应和方位敏感机制，建立大气偏振模式感知模型；研究大气偏振模式的特征提取、模式分类方法，发现大气偏振模式的罗盘显著特征，提出有效表征方法，建立大气偏振模式典型特征参数与环境要素的映射关系；研究具有高分辨的大气偏振模式有效获取方法，设计具有大气偏振模式感知能力的仿生偏振模式感知阵列，通过研究感知阵列的信息获取、特征提取、姿态生成方法，实现由大气偏振模式特征获取二维、三维姿态信息的方法，为解决仿生偏振光导航中的关键科学问题，提供创新性的新理论、新方法。

本项目以沙蚁高度敏感的偏振视觉感知机理为背景，通过对沙蚁POL-神经元的敏感机理与信息处理机制的研究，建立了仿沙蚁POL-神经元偏振感知模型，实现了对沙蚁小眼POL-神经元主要功能的模拟，为偏振光导航传感器的设计和大气偏振模式的获取与特征分析等研究提供了仿生模型；针对生物偏振光导航中的“紫外悖论”，进行了深入的研究，分析了不同光谱对偏振光测角的影响，验证了利用紫外波段偏振光测角的优越性，提出了对“紫外悖论”的新解释。通过对大气偏振模式形成机理的研究，建立了基于Monte Carlo模型的大气偏振模型，开发了基于光散射传输三维动态仿真系统，分析了光散射传输过程中典型粒子对偏振特性的影响；针对大气偏振模式的有效获取，设计了一种全斯托克斯矢量大气偏振模式测量系统，对天顶区域大气偏振模式特征、中性点运动轨迹等进行了实验研究和分析，提出并实现了中性点检测与识别方法。开展了微型偏振光导航传感器设计与研制，在四单元偏振光导航传感器的基础上，提出了一种PFAC (POL-Full Angle Calculation)偏振光测角模型，完成了四象限偏振光导航传感器的原型设计，样机研发，以及测试等工作，实现了偏振光导航传感器的微型化，解决了偏振光导航传感器测角奇异性问题，扩展了测角值域，消除了正交性误差；开展了仿生大气偏振模式感知阵列设计方法研究，设计了仿沙蚁POL-神经元的航向译码模型，提出了一种仿沙蚁偏振感知机制的APPO (The Atmospheric Polarization Pattern to Orientation)导航方法，实现了大气偏振模式与载体航向信息之间的映射。通过对偏振模式感知阵列的信号处理方法研究，建立了感知阵列与模式特征之间的映射关系，深入研究了大气偏振模式对称性，建立了大气偏振模式对称性模型，提出了利用大气偏振模式对称性获取航向角信息的方法，开展了不同天气、不同光谱下的实测实验，实现了由大气偏振模式对称性特征生成二维、三维姿态信息的方法。