为了提高偏振光导航定位的可靠性和实时性, 提出了一种利用多方向偏振光的自主式导航定位方法并搭建了样机。通过样机多方向阵列结构中的偏振光导航传感器实时检测天空多个方向的偏振光信息, 并对这些信息进行优选和融合处理, 计算得到更加可靠且准确的太阳空间位置。最后根据太阳空间位置, 结合时间和地磁场分布信息, 计算样机所在位置的经纬度, 实现实时定位。基于可视化软件LabVIEW编写样机上位机程序, 能够实时采集样机中传感器数据, 同步处理计算且实时显示载体地点经纬度, 数据更新率可达10 Hz。静态测试结果表明, 定位样机性能稳定, 经度方向上的定位精度为±0.4°, 纬度方向上为±1.2°, 定位精度较高, 可应用于实际导航。

针对目前利用天空偏振光信息进行导航, 仅能提供方向信息实现相对路径定位, 而不能获取载体的经纬度信息实现绝对定位的问题, 在前期工作中, 作者提出了一种基于天空偏振光、地球与太阳相对位置关系的自定位方法。本文中, 作者设计搭建了由天空偏振角测量装置、 OCTANS惯导组成的实验平台, 对该方法的可行性进行验证分析。实验结果表明, 该定位方法能够实时的获取相对可靠的地理位置, 且经纬度误差均值分别为 -0.149°和 0.418°。与 GPS定位系统相比, 虽然定位精度有待于进一步提高, 但可作为 GPS失效时的有效补充定位手段。

本文选取3种气溶胶粒子和3种卷云粒子,利用时域有限差分法,对椭球型气溶胶粒子和六棱柱卷云粒子在不同波长下散射相位函数进行了仿真分析,并讨论了入射方向对粒子散射特性的影响。仿真结果表明,尺寸参数较小时散射相位函数变化较平稳,尺寸参数较大时曲线出现震荡,且随尺寸参数增大震荡剧烈;粒子单次散射能量主要集中在前向散射,随散射角增大呈指数下降;气溶胶粒子散射相位函数在90~150°之间出现明显的波谷;卷云粒子散射相位函数一般不出现明显波谷。当入射角度改变时,气溶胶粒子在整个0~180°之内的散射相位函数都有101数量级的变化,卷云粒子则在0~90°前向散射内保持稳定。本文的研究方法和结论可以为研究天空偏振光模式的形成机理和变化规律提供参考。

根据沙蚁Cataglyphis的导航机理研制了一种检测天空偏振光的导航传感器。为测试传感器室外导航性能，设计了采用传感器输出的航向角控制移动机器人按特定轨迹运动的实验。首先，介绍传感器的结构原理及功能模型，为提高传感器精度，在室内用光学积分球模拟天空偏振光源，用精密转台对传感器输出角度进行补偿，补偿后传感器误差在±0.2°以内。然后，简要说明采用的移动机器人平台结构和采用传感器导航的方法。最后，描述导航实验过程，得到了利用光电编码盘输出角度信息与利用偏振光传感器输出航向角两种导航方法的对比实验结果。结果显示，偏振光传感器导航相对于光电编码盘较为精确，二者平均位置误差分别是1.17 cm和31.6 cm。实验证实偏振光传感器误差不随时间累积，能够自主完成移动机器人导航，可用于移动载体自主导航系统。

根据一束光的偏振特性可以由斯托克斯矢量来表征的原理,设计搭建了一种天空偏振光测量系统。该系统由计算机、赤道仪、光纤光谱仪和配备了可旋转偏振片的改进式天文望远镜组成,在400～900nm的光谱分辨率为1.4nm。赤道仪经过标定后可以实现0～180°方位角以及0～90°高度角的调整,角度分辨率为2.5°。系统的光学全视场为4.5°,使用该系统可以测量全天空的光强辐射度、偏振度以及偏振方位角。由标定结果可知,系统光强测量的重复率在450～500nm为99%,在500～900nm为(95±3)%;在400～750nm偏振度测量误差<2%,在475nm处达到1.2%。偏振方位角的测量误差<2°。