基于偏振光模式的遥感成像新手段及仿生导航新方法

地球表面上的物体在与电磁波相互作用过程中均会产生由其自身特性而引起的偏振特征。人工目标在经过自然光的照射之后，会因其表面特性与周围自然物体不一致而产生不同的偏振特征，通过分析地物的不同的偏振特性，可以达到区分地物，判别地物类型以及定量反演地表参数的效果。与传统光学遥感单纯依赖传感器接收到的电磁波强度信息不同，偏振遥感可以利用目标辐射和反射的偏振强度值、偏振度、偏振角、偏振椭率和辐射率信息，可以解决传统光度学探测无法解决的一些问题。

偏振是各种矢量波的一种基本性质，是指用一矢量波来描述空间某一固定点所观测到的矢量波随时间变化的特征。电磁波实质上也是矢量波，光的偏振狭义上是指光波在垂直于其传播方向的平面内的不同方向上的振幅不一致的现象。通常用Stokes参数来表示：多角度偏振遥感是利用地球表面和大气中的目标地物，在反射、散射和透射电磁辐射的过程中，产生特征偏振信息，作为偏振化二向性反射的遥感信息源。其理论依据是定量描述偏振信息的Stokes矢量法。对于来自被探测目标的任一准单色平面波，其偏振状态可以用4个Stokes参数Ｉ，Ｑ，Ｕ，Ｖ来表征。其中，I为非偏振光强，Ｑ、Ｕ分别代表两个方向上的线偏振光强，Ｖ代表圆偏振光强。通过Stokes四个参数可以完整地描述出偏振光的振动状态，也可以比较理想地对地物的特性进行反演。

偏振导航是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。

本文将介绍以下三个方面内容：1）偏振遥感矢量表征机理；2）基于偏振模式的偏振遥感成像新方法；3）基于偏振模式的偏振仿生导航新方法。 
关键词：偏振遥感，偏振模式，仿生导航，斯托克斯参数 
研究项目资助：
1） 国家自然科学基金：基于电光调制技术的偏振遥感V分量测量研究
    项目编号：60808035
2）北京市自然科学基金：基于蚂蚁路径整合行为的仿生偏振导航机理研究
    项目编号：1093016