水下偏振光导航技术

Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｎｄ ｒ ｔ ｒ ｐｏ ａ ｉ ａ ｉ ｎ ｌｇ ｖ ｇ ｔｏ ｓ ａ ｃ ｎ ｕ ｅ ｗａ ｅ ｌ ｒ ｚ ｔｏ ｉ ｈｔｎａ ｉ ａ ｉ ｎ
Ｗ ＡＮＧ Ｇｕ ｎ ． ｕ Ｉ ａ — ａ ｇ ，Ｗ ＡＮ Ｊ ｎ ａ ｇ ｈ ｉ ，Ｌ Ｕ Ｘｉ ｏ ｌ ｎ ｉ ｕ ，ＭＯ Ｊ ｎ ｕ 。
射 光 是部 分 偏振 的 ， 天空 光 和水 下散 射光 的偏 振分 布 含 有 太 阳的 位置信 息 ， 很多 种 生物 可 以通过 对该 偏 有
光） 以及 海 洋 上 行 辐 射 的 海 面 反 射 光 （ 占 比例 极 所
小， 这里 忽 略不 计 ） 成 ， 组 当太 阳天 顶 角 小 于 ７ 。 ， ０时
本 文提 出了 １种 基 于 海 洋散 射 光 偏 振 特 性 的 水 下偏 振 光导 航 技术 ， 用 该 技 术 ， 下 航 行 器 可 实 现 利 水
水 下 自主无 源 导航 。
１ 海 洋 下 行 辐 射 率 的 角 分 布
海 洋 的下行 辐 射 主要 由太 阳直 射 光 和 天 空 光 的
类 同） 与最 大 辐射 率方 向相 关 ， 总 是垂 直 于 最 大 辐 它 射 率 方 向和观 测方 向所 组成 的平 面 ， 成 了 以过观 测 形 点 的最大 辐射 率方 向为对称 轴 的空 间分 布 图 ， 中箭 其
头代 表最 大辐 射率 方 向 ， 虚线 代 表对应 观 测方 向上 海 洋散 射光 的光 振动 方 向 。
关 键 词 ： 水 下 导 航 ；偏 振 光 ；水 下 运 载 器
中图分 类号 ： Ｕ ６ ． ３ ７ ３ ３ ６ ６ １ ；Ｐ ３ ．
文献 标识 码 ： Ａ
文章 编 号 ： １７ ７ ４ （０ １０ ６ ２— ６ ９ ２ １ ） ７—０ ７ ０ Ｄ ：０ ３ ０ ／．ｓ ． ６ ２— ６ ９ ２ １． ７ ０ ９ ０ ９— ４ ＯＩ １ ． ４ ４ ｊｉ ｎ １ ７ ７ ４ ． ０ １０ ． １ ｓ
Ａ ｂｓｒ ｔ： ｔ ａｃ Ｔ ｕ ｄ ｒ ｔｒ ｏ ａ ｉａｉ ｎ ｉ ｈ ｎ ｖｇ ｔｏ ｉ ｄｅ ｅｏ ｅ ｂ ｓ ｄ ｎ ｈ ａ ａｙ ｅ ｏ ｈｅ ｎ ｅ ｗａｅ ｐ ｌｒｚ ｔｏ ｌｇ ｔ ａ ｉ ａｉ ｎ ｓ ｖ ｌ ｐ ｄ ａ ｅ ｏ ｔ ｅ ｎ ｌｓ ｓ ｆ
海水 吸收 系数 Ｏ、 ｔ海水 散射 函数 和水 深 ｚ 函数 ： 的 ０ （） ＝ ０ （ ） ｏ卢，） ｚ ０ ，， 。 （） ２
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图 ３ 水 下光 场 的 偏 振 分 布
Ｆｉ．３ Ｔｈｅ Ｐｏａ ｉａｉｎ ｏ ｄ ｒ ａｅ ｉ ｈ ｉｌ ｇ ｌ ｒｚ ｔｏ ｆｕｎ ｅ ｗ ｔ ｒｌｇ ｔｆｅｄ
ｄ ｗｎ ｌｉ ｇ ａ ｉ ｎ ｅ ｄｉｔｉｕｔ ｎ ｎ ｐ ｌ ｒｚ ｔｏ ｏ ｕ ｍ ａ ｉ ｅ ｌｇ ｔ ｉｅｄ， ｈ ｏ ｇ ｔ ｅ ｏ ｗｅｌｎ ｒ ｄ ａ ｃ ｓｒｂ ｉ ａ ｄ ｏａ ｉａｉ ｎ ｆ ｓ ｂ ｒｎ ｉ ｈ ｆ ｌ ｔ ｒ ｕ ｈ ｈ ｍ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｆ ｏ ａ ｕｒ ｍｅ ｔ ｏ
收 稿 日期 ： ０ １— ２—２ ；修 回 日期 ： ０ １— ３— ４ ２１ ０ ４ ２１ ０ ２ 作 者 简 介 ： 光 辉 （９ １ ， ， 教授 ， 事 水 下 导 航 领 域 的 教 学 和 研 究 工 作 。 王 １７ 一） 男 副 从
・
８ ０・
舰
船
科
学
技
术
第３ ３卷
之 间满足 。 … ） ｃｉ ｓ ｎ 。 （） １
摘 要 ： 基于对海洋下行光场 辐射率分布及其经 海水散射所产生 的水下 光场偏振特性 的分析 ， 出了 １ 利 提 种
用 水 下 散 射 光 场 光 振 动 方 向 进 行 导 航 的方 法 。该 方 法 通 过 测 量 水 下 运 载 器 相 对 海 面 的深 度 、 向 与 左 舷 方 向水 下 光 首 场 光 振 动 方 向和 海 水 的 光 学 属 性 来 实 现 。与 地 球 重 力 匹 配 导 航 和 地 磁 匹 配 导 航 相 比 ， 于 不 依 赖 高 精 度 、 空 问 分 由 高 辨率的地球物理场数据 ， 因而 易 于 实 现 ， 有 明显 的 发 展 优 势 ， 作 为 惯 性 导 航 系统 的 辅 助 导 航 手 段 。 具 可
ｄ ｐ ｈ，ｗａｅ ｏ ｔｃ ｌ ｐ ｏ ｅ ｔｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｌｒｚ ｔｏ ｓ ａ ｔ ｄ ｒｃ ｉ ｎ ． Ｃｏ ａ ｅ ｗｉｈ ｇ ａ ｉ ａ ｄ ｅｔ ｔ ｒ ｐ ｉａ ｒ ｐ ｒｉｓ ｎ ｈ ｏ ａ ｉａｉ ｎ ｔ ｗｏ ｉｅ ｔｏ ｓ ｍｐ ｒ ｄ ｔ ｒ ｖｔ ｙ ｎ ｇ ｏ ｇ ｅｉ ｔｈ ｎ ａ ｉ ａｉ ｎ ， ｈｅ ｎ ｒ ａｅ ｐ ｌ ｒｚ ｔｏ ｌｇ ｔ ｎ ｖｇ ｔ ｎ ｅ ｄ ｏ ｇ ｏ ｈ ｓｃ ｌ ａａ， ｅ ｍａ ｎ ｔｃ ｍａｃ ｉ ｇ ｎ ｖｇ ｔｏ ｓ ｔ ｕ ｄｅ ｗ ｔ ｒ ｏａ ｉａｉ ｎ ｉｈ ａ ｉａ ｉ ｎ ｅ ｎ ｅ ｐ ｙ ｉａ ｄ ｔ ｏ
ｈ ｖ ｂ ｉｕ ｄｖ ｎ ａ ｅ ａ ｅ ｏ ｖｏ ｓ ａ ａ ｔｇ ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｕ ｄｅ ａｅ ａ ｉａｉ ｎ；ｐ ｌｒｚ ｔｏ ｉ ｈ ；ｓ ｂ ａ ｉ ｅ ｃ ｅ ｄｓ： ｎ ｒ ｔ ｒｎ ｖｇ ｔ ｗ ｏ ｏ ａ ｉａ ｉ ｎ ｌｇ ｔ ｕ ｍ ｒｎｅ ｖ ｈｉｌ
如 图 ５ ａ 所示 ， 立直 角坐 标 系 ｙｚ 和 Ｘ Ｚ， （） 建 Ｙ
２ 海 洋散 射 光 的偏 振 特 性
太 阳光 本 身 是 自然 光 ， 天空 光 则 是 部 分偏 振 的 ， 二者 经海 面 折射进 入 海水 中后 ， 为偏振 度 很低 的部 成
分偏 振光 ， 在 向下传 输过 程 中 ， 振度 进 一步 降低 。 且 偏
第３ ３卷 第 ７期
２１ ０ １年 ７ 月
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ ． ３ ．Ｎｏ ７ １３ ．
ＳＨＩ ＣＩ Ｐ Ｓ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬ ＯＧＹ
Ｊ １ ，２ １ ｕ． ０ １
水 下 偏振 光 导 航 技 术
王光 辉 ，刘 晓 亮。 ，万 峻 ，莫 军
（ ． 军潜 艇 学 院 ， 东 青 岛 ２ ６ ４ ； ． １海 山 ６ ０ ４ ２ 海军驻 北 京作 战 系统 军代表 室 ， 京 ，０ ３ １ 北 １０６ ）
０ 引 言
惯性 导 航是 水 下航 行 器 可 以依 赖 的惟 一 一 种 自 主无 源 导航 方式 。但 由于 惯 性 导航 系 统 的误 差 是 随
时 间积 累 的 ， 统为 了保 持 可 用 的导 航 精 度 ， 须 定 系 必 期 利 用其 他 辅助 导航 手段 进 行校 正 。
所示 ， 占优 势 的光 振 动 方 向 （ 称 光 振 动 方 向 ， 下 简 以
图 ２ 海 洋 下 行 辐射 率 峰值 方 向 渐 进 分 布
Ｆｉ． Ｔｈ ｓ ｍ ｐｏ ｉ ｓｒｂｕ ｉｎ ｆｕｎ ｒ ａｅ ｇ２ ｅａｙ ｔｔｃ ｄｉｔｉ ｔｏ ｓ ｏ ｄｅ ｗ ｔｒ ｒ ｄ ａ ｅ ｐ ａ ｓ ｏ ｉｎ ａｉｎ ａ ｉｎｃ ｅ ｋLeabharlann Baidu ｒｅ ｔ ｔ ｏ
海洋 散射 光 的偏 振 分 布 信息 包 含 海 洋 下 行 辐 射
率 峰值方 向信 息 ， 间接 含 有 太 阳的位 置信 息 。 因 此 ， 可通 过测 量海 洋散 射 光 振 动 方 向 的方 法 确 定 太 阳 的
位置 ， 然后 利 用单 天体 方式进 行 定位 、 向 （ 图 ４ 。 定 见 ） 分别 沿运 载器 首 向 、 舷方 向上 对海 洋散 射光 的光 振 左 动方 向进 行测 量 ， 测得 ２个偏 振 角 ０ 和 。 。
因此 ， 较浅 深度 ， 下 辐 射 率 峰值 方 向渐 进 曲线 是 在 水
随 时间波 动 的 ， １ 以 下则 趋 于 稳 定 。海 洋 下 行 在 ０ｍ 辐射 率峰 值方 向渐 进 曲线包 含 了太 阳 的方位 信息 ， 并 受 海 水 的光 学属性 所影 响 ， 太 阳光 折 射 角 ０ （ ） 为 ０ 、
因此 ， 着水 深 的增加 ， 洋下 行辐 射趋 于 自然光 。 随 海
其 中 ， 海 洋 下 行 辐 射 率 峰 值 方 向 ， 和 Ｄ ．为 ｓ Ｄ。 为 ２
组探 测 方 向 ， 轴 沿 正 东方 向 （ ， Ｅ） ｙ轴 沿 真北 方 向 （ ， Ｎ ） ｚ和 ｚ 轴 沿 天 顶 方 向 ， 轴 沿 首 向 ， 沿 左 ｙ轴 舷 。Ｐ 为 在 Ｄ 方 向 探 测 到 的光 振 动 方 向 ， ：为 在 。 。 Ｐ
天空 光 分布在 ２Ｔ 体 角 内 ， 平 静 海 面折 射 后 １立 经
被压 缩在 菲 涅耳 窗 口（ 角度 为 ９ 。 ７ 的圆锥 窗 口） 内 。 之
晴 朗天 气平 静 海 面 ， 阳 天 顶 角 为 ３ ． 。 ， 太 ３ ４ 时 水 下 辐 射 率 在 太 阳入 射 平 面 内 的典 型 分 布 如 图 １所 示 。可见 ， 当下行 深 度 较浅 时 ， 射 率分 布存 在 尖 辐 锐 的峰值 ， 值方 向位 于 太 阳海 面折 射 光 方 向 ， 是 峰 这 占优 势 的太 阳海 面折 射 光造 成 的。 由 于海 水 的散 射 效应 ， 当深度 增大 时 ， 射率 峰 值逐 渐变 得平 缓 ， 且 辐 并 向天 底方 向移动 ， 最后 趋 向于稳 定 的渐进 分 布形成 一 条辐 射率 峰值 方 向随深 度 变化 的渐 进 曲线 （ 图 ２ 。 见 ） 实 际上 海面是 不平 静 的 ， 面 波动对 光 线产 生 的 海 汇 聚和发 散作 用使 得 海 水 浅 层 的 辐 照度 发 生 随机 的 明 暗变化 ， 是 ， 但 随着 深 度 增 加 ， 种 影 响逐 渐 降 低 。 这 射 率 角分 布极 大值 的存 在 ， 得 海洋散 射 光成 为光 振 使 动在 某一 方 向上 占优 势 的 部 分 偏 振 光 。如 图 ３
太 阳海 面折射 光 对 海洋 下 行 辐 照 度 的贡 献 远 大 于 天 空海 面 折射光 。
振 信 息 的感 知进行 导 航 “ 。 目前 ， 已有 基 于天 空 光
偏 振 信息 进行 导航 的报道 。
在平 静海 面 ， 阳折 射光 的传 播方 向满 足折 射定 太 律， 折射 角 ０ （ ） ０ 与太 阳 天顶 角 ０ 和 海水 折射 率 ｎ
３ 水 下偏 振 光 导 航 的基 本 原 理
图 １ 海 洋 下 行 辐 射 率 的角 分 布
Ｆｉ．１ Ｕｎｄ ｒ ｔｒｒ ｄｉｎ ｅ ｄｓｒｂ ｔｏ ｓ ｉ ｈ ｌ ｎ ｆｔ ｕｎ ｇ ｅ ｗａ ｅ ａ ａ ｃ ｉｔｉ ｕ ｉｎ ｎ ｔ ｅ ｐ ａ ｅ ｏ ｈｅ ｓ
（ ． ａｙＳ ｂ ａｉｅＡ ａ ｅ ｙ Ｑ ｎｄ ｏ ２ ６ ４ ， ｈｎ ； １ Ｎ ｖ ｕ ｍ ｒ ｃｄ ｍ ， ｉｇ ａ ６ ０ ４ Ｃ ｉａ ｎ ２ Ｍｉｔｒ Ｒ ｐｅｅ ｔｔ ｅＯ ｆ ｅｏ Ｃ ｍ ａ ｙｔｍ ｉ ｅ ｉｇ Ｂ ｉｎ ０ ３ １ Ｃ ｉ ） ． ｌａｙ ｅｒｓｎａｉ ｆｃ ｆ ｏ ｂ ｔ ｓ Ｂ ｉｎ ， ｅ ｉ １０ ６ ， ｈｎ ｉ ｖ ｉ Ｓ ｅ ｎ ｊ ｊｇ ａ
目前 ， 球 重力 匹配 导航 和 地磁 匹配 导航 既 可工 地
海 面折 射光 （ 称 太 阳海 面 折 射 光 和 天 空 海 面折 射 简
作 于水下 ， 满 足 自主 无 源 条 件 ， 为 水 下 导 航 领 域 又 成 的研 究热 点 －］ 自然 光 经瑞 利 散 射 后 所 形 成 的散 ２。