1.2 仿生偏振光定向方法

自然界中有许多生物能够利用大气偏振光进行定向，如蜜蜂、沙蚁和蜻蜓等昆虫能够在缺少显著参照物的情况下，经过复杂曲折的觅食过程，沿近乎直线路径返回数百米以外的巢穴。复眼是昆虫的主要视觉器官，其背部边缘区域（Dorsal Rim Area，DRA）是一小块朝向天空的区域，如图1.2所示，正是这部分区域的小眼对大气偏振光分布模式具有高度敏感性。

在大气偏振光分布特性与表征方法研究方面，国外早在16世纪就开展了相关研究工作。1669年，丹麦物理学家B.Erasmus在一次试验中第一次发现了光的偏振现象，从此开拓了一门崭新的光学研究领域 ^[1] 。此后，法国学者J.Babinet和K.Coulson、英国物理学家D.Brewster等在F.Arago研究的基础上对大气偏振光的形成原因、表征方式等进行了更深入的研究，进一步完善了大气偏振光的基础理论 ^[2] 。1870年，英国科学家Rayleigh（瑞利，原名John Willam Strutt）研究了空气微小粒子对光的散射作用，在忽略复杂粒子多次散射的前提下，提出了经典的瑞利散射理论，为后来研究晴朗天气下大气偏振光分布模式提供了重要理论支持 ^[3] 。1908年，德国物理学家G.Mie提出了基于球状粒子的多重光散射模型——米氏散射理论，该理论将大气偏振光单次散射研究推向了与真实散射模型更为相似的多次散射研究 ^[4] 。1982年，瑞士苏黎世大学Wehner教授在瑞利散射理论的基础上提出了描述晴朗天气下大气偏振光分布模式的Rayleigh模型 ^[5] 。2017年，荷兰阿姆斯特丹大学提出一种三维蒙特卡罗辐射传输程序（ARTES），用于（外）行星大气散射光模拟，以便研究三维大气不对称性如何影响偏振信号，以评估红外偏振法对行星质量伴星直接成像观测的潜力 ^[6] 。2021年，美国加州理工学院利用偏振光谱和O-2近红外波段辐射测量系统对气溶胶剖面信息含量进行测量并评估了不确定度，结果表明高光谱分辨率辐射测量和偏振测量的加入不仅可减少所需视角数量，还可有效提高偏振和辐射信噪比、检测灵敏度 ^[7] 。

国内学者对大气偏振光分布与表征的研究起步较晚。2011年，合肥工业大学高隽团队分别基于复球面映射与E矢量描述对大气偏振模式进行了表征与分析，并对微观瑞利散射下的大气偏振模式进行了建模仿真，提出了多次散射因素影响下天空偏振光模式的解析模型 ^[8] 。2013年，清华大学赵开春教授等设计了天空光偏振模式自动探测装置 ^[9] 。同年，大连理工大学褚金奎教授团队对太阳光与月光对曙暮光偏振模式的影响进行研究，证明太阳光偏振模式在曙暮光时分对天空偏振模式的形成起主要作用 ^[10] 。2014年，合肥工业大学张忠顺提出一种近180°视场的全斯托克斯（Stokes）矢量大气偏振模式测量系统 ^[11] 。2015年，合肥工业大学王子谦提出一种基于瑞利散射的大气偏振模式Stokes矢量建模方法并进行仿真，由此发现大气偏振模式Stokes矢量具有“十”字形分布形态 ^[12] 。2015年，中北大学刘俊教授团队开展了基于瑞利散射的大气偏振模式检测与模型重建研究，为后续开展偏振光导航应用与算法研究奠定了基础 ^[13] 。2018年，合肥工业大学范之国等通过分析大气偏振模式的宏观变化规律，提出大气偏振模式“∞”字形特征建模方法，从而提高偏振光导航的航向信息的可用性 ^[14] ；此外，该团队利用倾斜姿态坐标系与水平姿态坐标系的相对关系，设计出一种倾斜姿态下的大气偏振模式建模方法 ^[15] 。2021年，国家气象卫星中心重点实验室利用多角度遥感技术，即基于大气反射的偏振和各向异性，借助激光雷达和定向偏振相机，获得多角度纯强度信号和多角度偏振信号，用来反演气溶胶特性 ^[16] 。这些理论研究均为大气偏振模式的应用提供了依据。

由上可见，大气偏振光分布特性与表征方法（见图1.3）已得到国内外研究人员的广泛关注，大气偏振模式探测装置也已得到应用，面向复杂环境下的精确大气偏振光分布特性与表征方法成为目前的研究热点，拉开了利用天空偏振光信息进行自主导航的研究序幕。

在基于大气偏振模式的仿生偏振光定向方面，瑞士苏黎世大学Wehner教授等在1982年及1989年通过研究如何从天空中的E矢量模式中导出蜜蜂天体图及视网膜中特殊部分（见图1.4），模拟天空中的E矢量方向分布，从而利用天空中的偏振光模式作为罗盘进行导航 ^[17，18] 。随后，科学家对自然界的多种生物利用其视觉/大脑的偏振敏感神经元在白天/夜间及薄雾/云层等复杂陌生环境条件下的视觉感知、飞行引导、学习和记忆等方面做了大量研究。2001年，瑞士苏黎世大学Labhart等发现蟋蟀视觉系统中的偏振敏感神经元（POL神经元）能够整合天空中的大面积信息，通过滤除云层引起的偏振模式局部扰动，改善大气偏振信号质量并提高导航信息灵敏度 ^[19] 。2011年，德国马尔堡大学进一步研究了蝗虫大脑的下行神经元和前胸神经节对偏振光的反应，以及利用大气偏振E矢量模式进行导航的机理 ^[20] 。

2015年，英国布里斯托大学开展了人类肉眼偏振敏感特性表征研究工作，并开发了一种新的不同偏振度下仅由偏振对比度的光栅测量人体感知偏振光检下限的方法 ^[21] 。2019年，德国柏林生物神经研究所对在不同偏振光角度下飞行的果蝇的航向选择机理开展了研究工作，结果发现这些行为反应具有波长特异性，即在偏振紫外线刺激下可以进行航向选择，而在偏振绿光刺激下则不可以进行航向选择，这些发现进一步为果蝇利用天象线索进行视觉导航和航向修正提供了证据[22]。2020年，马里兰大学研究发现螳螂虾在觅食时能够基于太阳、头顶偏振模式和内部独特方向线索的层次化路径积分进行导航，成为迄今为止发现的第一条完全水下动物路径积分方法，为研究节肢动物和其他潜水动物导航行为的神经基础和改进导航方法开辟了新途径 ^[23] 。2021年，瑞典隆德大学和加拿大西蒙菲莎大学分别就甲虫利用偏振光进行导航开展了研究工作，研究结果表明甲虫在白天和夜晚使用太阳、银河系和月球产生的偏振模式沿着固定方向运动：上午和下午利用太阳确定方向；中午利用风确定方向；在晚上或森林中，主要依靠偏振光维持直线路径 ^[24，25] 。

偏振光定向的良好应用前景同样引起了国内学者的广泛关注。2009年，大连理工大学褚金奎教授团队根据仿生偏振光定向原理设计了一款新型仿生偏振测角传感器，提出了角度误差补偿算法，并将该导航传感器样机进行了室外移动机器人导航试验。随后，该团队于2015年设计了基于偏振光与MEMS陀螺的航向角测量系统，可为飞行控制提供精确的航向信息 ^[26，27] 。2013年，合肥工业大学高隽教授团队也基于仿生原理开展了传感器设计研究工作，解决了偏振光导航测角歧义性问题，并提出基于大气偏振模式对称性检测方法和基于沙蚁POL-神经元模型的航向角解算方法 ^[28] 。2014年，中国人民解放军国防科技大学胡小平教授团队提出了一种角度误差校准方法，并对偏振光定向算法及误差进行了分析 ^[29] 。2016—2019年，该团队分别基于动物大脑海马区导航机理和RatSLAM算法，先后提出了基于网格细胞模型/位置细胞模型和生物导航机理的仿生导航算法、多目偏振视觉导航方法、导航拓扑图构建方法、仿生偏振光定向方法 ^[30-33] 。2020年，该团队提出了一种多云天气条件下根据已知信息建立任意一个像素点的大气偏振光定向模型与方法 ^[34] 。2015年，中北大学刘俊教授团队提出了一种通过全天域大气偏振检测的航向角解算方法，以及一种通过大气偏振模式稳定性分布特征提取飞行器俯仰角和滚转角方法，并进行了试验验证 ^[35] 。2021年，该团队为提高太阳子午线拟合精度，提出了一种先进行对称轴粗提取，接着进行连续旋转，再精确提取太阳子午线方法，最终使偏振定向系统精度得到了有效提升 ^[36] 。

从上述国内外研究进展情况可以看出，基于仿生偏振光传感器的定向测量在实验室条件下取得了良好结果（见图1.5）。在上述研究的基础上，如何进一步提高其在实际应用过程中的定向精度成为仿生偏振光罗盘的重要研究方向。因此，开展仿生偏振光罗盘定向误差处理方法研究十分必要。