仿生偏振导航定向机理与实验验证研究

偏振导航是一种利用光的偏振性来确定参考方向的一种自主式导航方式，是自然界中天然导航方法之一。研究表明，很多昆虫与鸟类都具有偏振视觉系统，它们利用太阳光或月光在大气中散射的偏振特性进行导航。本课题依据昆虫偏振导航的机理，首先从大气散射入手，研究天空偏振光的成因、分布模式及其影响因子，建立天空偏振光分布模型；结合天文导航原理，并借鉴课题组已有研究成果，对现有的偏振导航模型进行修正和验证，推导出仿生偏振导航的基础理论公式；在此基础上建立高精度的偏振导航算法，最终完成偏振导航的测角验证装置，并对其进行精度评估和误差分析。.此研究的开展，使偏振导航可能成为飞行器、运动载体新的导航手段，丰富导航理论与技术，为仿生导航的应用奠定基础。同时，通过测量水下蓝波段的偏振模式图，结合其他导航手段可以实现水下目标的精确导航。此外，对于海洋资源探测和调查、海底电缆信息探测及水下打捞、水下考古等都具有很高的应用价值。

课题组精诚配合，积极工作，从大气散射入手，首先研究天空偏振光的成因、分布模式及其影响因子，建立天空偏振光分布模型；然后结合天文导航原理，并借鉴国内外已有的研究成果，对现有的偏振导航模型进行修正和验证，推导出仿生偏振导航的基础理论公式；最后在此基础上完成偏振导航测角试验平台的设计与实现，并对其测量结果产生的误差进行了分析。课题组完成了以下几个方面的工作： .国内首次采用全天空偏振测量方法对天空偏振光在不同条件下的分布进行了测量研究。测量结果表明，天空偏振光的偏振度分布与太阳高度、观测波段以及天气条件密切相关。偏振度平均值随着太阳高度角的增大而减小；多云状态下的偏振度平均值较晴朗天空条件下的偏振度平均值小；相同条件下不同波段天空光偏振度分布有差异，晴朗天空的偏振度随着观测波长的变长而增大，但在多云天气条件下，较长波段的偏振度退偏效应比较明显。综合考虑各种因素，认为可见光蓝色波段是最适用于导航的波段。同时，测量结果还表明天空偏振光的偏振角分布受环境影响较小，可以利用其分布获取导航所需的方向信息。.介绍了沙蚁偏振导航的定向机理，描述了仿生偏振导航当前使用的两种模型——扫描模型和并发模型，由于两种模型计算出的角度均以不断变化的太阳子午线为基准，于是提出用太阳当前的方位角去修正仿生偏振导航模型计算出的角度，以使偏振光导航更具实用性。.设计并实现了一个利用天空偏振光获取方向信息的测角试验平台，并对其进行了实验验证。结果表明，当入射光为偏振光时，三个通道的偏振正交单元模型对偏振光的响应基本符合沙蚁视觉神经系统对天空偏振光方向敏感的响应规律，从而验证了偏振光测角模型的有效性。最后，对仿生偏振导航测角试验平台产生的误差进行了分析，认为导航模型的有效性对计算结果的准确性最为重要。当然，偏振片的质量、安装以及光敏器件的灵敏度也对测角精度有较大的影响。