面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究

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1、大连理工大学硕士学位论文摘要在复杂的环境中，导航能力对于动物和机器人来说都是至关重要的。许多动物应用不周的导航策略在它们居住的环境中生存。例如沙蚁Cataglyphis能够在数百米外觅食而返回巢穴时近乎于一条直线。生物学家的研究表明，沙蚁Cataglyphis能够借助天空中的偏振光进行导航定位，一是因为天空中存在一个相对稳定的偏振光分布模式，二是它本身的视觉神经系统对天空中偏振光方向极其敏感。本文从偏振的概念入手，论述了偏振的物理学基础和基本光学原理，然后重点研究了天空中偏振光分布模型和仿沙蚁复眼结构的偏振光测试系统。对于天空偏振，研究了天空中

2、偏振光产生的机理，分析了天空中偏振光的分布，探讨了太阳视位置对全天空偏振光分布模式的影响。根据Rayleigh散射理论和天文学知识，利用C-H语言和OpenGL软件开发包在VC环境下进行编程工作，完成了太阳视位置，天空中观测方向的光束偏振方位角和偏振度信息，以及斯托克斯矢量的计算，并建立了二维和三维的球面模型，对太阳视位置的运动和全天空偏振光分布模式的变化进行了动态仿真。依据沙蚁的导航策略，本文论述了一个仿沙蚁复眼结构的偏振光测试模型。在此基础上设计了一种偏振光测试的机械装置，内置六个偏振通道，分别放置偏振片和硅光电二极管。该机械装置与光电处理

3、模块、数据采集模块共同构成了偏振光测试系统。在实验中，测试系统成功地采集到了三通道的偏振光信号，实验曲线很好地验证了沙蚁视觉神经系统对天空中偏振光方向敏感的响应规律。关键词：沙蚁导航；全天空偏振光分布模型：Rayleigh散射；斯托克斯矢量i偏振光测试模型面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究ResearchontheSkylightPolarizationfortheBionicMicro—nanoNavigationSystemAbstractTheabilitytonavigateinacomplexenvironmentiscrucial

4、forbothanimalsandrobots．Manyanimalsusedifferentnavigationstrategiestosurviveintheirlivingenvironment．Forexample，thedesertantCataglyphisisabletoforageinhundredsofmetersawaywhilereturnsbacktoitsnestpreciselyonastraightline．Biologists’researchshowsthatthedesertantCataglyphisCal

5、lnavigatewiththehelpoftheskylightpolarization．Itisbecausethatthereisrelativelystablepolarizationdistributioninthesky，atthesametime，ant’svisualnelwoussystemisextremelysensitivetotheorientationofskylightpolarization．Thephysicsfoundationandbasicopticsprincipleofpolarization黜pre

6、sentedinthispaper,andthentheresearchoilbothdistributionmodelofskylightpolarizationandthepolarizationtestingsystemthatimitatesthestructureoftheant’scompoundeyesisfocalized．Forskylightpolarization,skylightpolarization’principleanditsdistributionmodelareexplored．Effectsofthesol

7、arpositionoilthepolarizationdistributionmodeloftheentireskylightarediscussed．BasedontheRayleighscatteringtheoryandAstronomyknowledge，solarposition,polarizationdegree，polarizationazimuthangleandtheStokesvectorinformationonthebeamoflightintheskyalegiven．IntheVCenvironment,C++l

8、anguageandOpenGLsoftwarekitaleusedtoprogram．Two-dimensionalandthree·dimensi