水下偏振光导航技术

第３３卷第７期　
２０１１年７月　
舰船科学技术　

ＳＨＩＰ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　
Ｖｏ１．３３．Ｎｏ．７　

Ｊｕ１．，２０１１　

水下偏振光导航技术　
王光辉　，刘晓亮。，万　峻　，莫　军　
（１．海军潜艇学院，山东青岛２６６０４４；２．海军驻北京作战系统军代表室，北京，１００３６１）　

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，提出了１种利　
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、首向与左舷方向水下光　
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，由于不依赖高精度、高空问分　
辨率的地球物理场数据，因而易于实现，具有明显的发展优势，可作为惯性导航系统的辅助导航手段。　
关键词：　水下导航；偏振光；水下运载器　
中图分类号：Ｕ６６６．１３；Ｐ７３３．３　文献标识码：Ａ　
文章编号：　１６７２—７６４９（２０１１）０７—００７９—０４　ＤＯＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１１．０７．０１９　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｌｉｇｈｔ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　
ＷＡＮＧ　Ｇｕａｎｇ．ｈｕｉ　，ＬＩＵ　Ｘｉａｏ—ｌｉａｎｇ　，ＷＡＮ　Ｊｕｎ　，ＭＯ　Ｊｕｎ。　
（１．Ｎａｖｙ　Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ　Ａｃａｄｅｍｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６０４４，Ｃｈｉｎａ；　
２．Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　Ｏｆｆｉｃｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｂａｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００３６１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｌｉｇｈｔ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｆ　
ｄｏｗｎｗｅｌｌｉｎｇ　ｒａｄｉａｎｃｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｂｍａｒｉｎｅ　ｌｉｇｈｔ　ｆｉｅｌｄ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　
ｄｅｐｔｈ，ｗａｔｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓ　ａｔ　ｔｗｏ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｇｒａｖｉｔｙ　ａｎｄ　
ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｌｉｇｈｔ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｎｅｅｄ　ｎｏ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｄａｔａ，　
ｈａｖｅ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｌｉｇｈｔ；ｓｕｂｍａｒｉｎｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　

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，系统为了保持可用的导航精度，必须定　
期利用其他辅助导航手段进行校正。　目前，地球重力匹配导航和地磁匹配导航既可工　作于水下，又满足自主无源条件，成为水下导航领域　的研究热点　－２］。自然光经瑞利散射后所形成的散　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，有很多种生物可以通过对该偏　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　。　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，利用该技术，水下航行器可实现　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　
海面折射光（简称太阳海面折射光和天空海面折射　
光）以及海洋上行辐射的海面反射光（所占比例极　
小，这里忽略不计）组成，当太阳天顶角小于７０。时，　
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。　
在平静海面，太阳折射光的传播方向满足折射定　
律，折射角０　（０）与太阳天顶角０　和海水折射率ｎ　

收稿日期：２０１１—０２—２４；修回日期：２０１１—０３—２４　
作者简介：王光辉（１９７１一），男，副教授，从事水下导航领域的教学和研究工作。　
・
８０・　舰船科学技术　第３３卷　
之间满足　
。）…ｃｓｉｎ　。　（１）　
天空光分布在２１Ｔ立体角内，经平静海面折射后　
被压缩在菲涅耳窗口（角度为９７。的圆锥窗口）之内。　
晴朗天气平静海面，太阳天顶角为３３．４。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，辐射率分布存在尖　
锐的峰值，峰值方向位于太阳海面折射光方向，这是　
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，辐射率峰值逐渐变得平缓，并且　
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（见图２）。　
实际上海面是不平静的，海面波动对光线产生的　
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，但是，随着深度增加，这种影响逐渐降低。　
因此，在较浅深度，水下辐射率峰值方向渐进曲线是　
随时间波动的，在１０　ｍ以下则趋于稳定。海洋下行　
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，为太阳光折射角０　（０）、　
海水吸收系数Ｏｔ、海水散射函数　和水深ｚ的函数：　
０　（ｚ）＝　０　（０），ｏ，卢，　）。　（２）　

趟　
絮　
赫　
嚣　
骥　

图１　海洋下行辐射率的角分布　
Ｆｉｇ．１　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｒａｄｉａｎｃｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｎ　

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，成为偏振度很低的部　分偏振光，且在向下传输过程中，偏振度进一步降低。　因此，随着水深的增加，海洋下行辐射趋于自然光。　洁净的大洋水中，海洋下行辐射在传输过程中受　到的散射作用主要为水分子产生的瑞利散射，下行辐　图２　海洋下行辐射率峰值方向渐进分布　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｒａｄｉａｎｃｅ　ｐｅａｋｓ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　射率角分布极大值的存在，使得海洋散射光成为光振　动在某一方向上占优势的部分偏振光　。如图３　所示，占优势的光振动方向（简称光振动方向，以下　类同）与最大辐射率方向相关，它总是垂直于最大辐　射率方向和观测方向所组成的平面，形成了以过观测　点的最大辐射率方向为对称轴的空间分布图，其中箭　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。　图３水下光场的偏振分布　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｌｉｇｈｔ　ｆｉｅｌｄ　３　水下偏振光导航的基本原理　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、定向（见图４）。　分别沿运载器首向、左舷方向上对海洋散射光的光振　动方向进行测量，测得２个偏振角０。和　。　
如图５（ａ）所示，建立直角坐标系　ｙ　ｚ　和ＸＹＺ，　
其中，．ｓ　为海洋下行辐射率峰值方向，Ｄ。和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，ｙ　轴沿左　
舷。Ｐ。为在Ｄ。方向探测到的光振动方向，Ｐ：为在　
第７期　王光辉，等：水下偏振光导航技术　・８ｌ・　
图４水下光场偏振测量示意图　
Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　

Ｄ　方向探测到的光振动方向，　为真航向。如图５　
（ｂ）所示，建立坐标系ｘｙｚ，其中，坐标原点位于地心，　
轴沿正东方向，Ｙ轴平行于地轴指向北极方向，（　，　
Ａ）表示当地纬度和经度。则在　ｙ　ｚ　坐标系内，Ｐ．　
和Ｐ　方向的单位矢量可表示为　

ｆ　０　］　
Ｐ　＝Ｉ　ｃｏｓＯ　Ｊ，　（３）　

ｓｉｎＯｌ／Ｉ　
ｆ，ｓｉｎＯ２、　
Ｐ　＝ｌ　ｃｏｓＯ：ｌ。　（４）　Ｌ、　

０　
Ｊ　

将Ｐ　。和Ｐ　从　ｙ　ｚ　坐标系依次变换到ＸＹＺ和　
ｘｙｚ坐标系，变换矩阵为　
ｆ　。０ｓ　ｓｉｎ　０　１　ｌ＿
ｓｉｎＴＣｃｏｓ￣ｃｏｓＴＣｃｏｓ￣ｏ　ｓｉｎ　ｌ，　（５）　

Ｉ　ｓｉｎＴＣｓｉｎ￣ｐ　ｃｏｓＴＣｓｉｎ￣ｖ　ｃｏｓ￣）　则在ｘｙｚ坐标系中，Ｐ　，和Ｐ　：单位矢量可表示为　Ｐ。＝Ｍ　Ｐ　，　（６）　Ｐ　＝Ｍ　Ｐ：。　（７）　因为两光振动方向均与下行辐射率峰值方向垂　直，所以下行辐射率峰值方向的单位矢可表示为　Ｓ　＝Ｐｌ×Ｐ　。　（８）　令辐射率峰值方向在天球上对应的赤纬、格林时　角为（　，Ａ　），则在ｘｙｚ坐标系中辐射率峰值方向　单位矢可表示为　ｒ　ＣＯＳ　ｔＳｓｉｎ（ＡｔＳ—Ａ）、　＝ｌ　ｓｉｎ　Ｏ　（９）　ＣＯＳ　ｓＣＯＳ（Ａ　ｓ—Ａ）　由于　和　表示的为同一个方向，所以有　Ｓ　×Ｓ　＝０。　（１０）　这样，只要已知下行辐射率峰值方向在天球坐标　（ｂ）　图５坐标系示意图　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｅ　系中对应的赤纬和格林时角，利用式（３）一式（１Ｏ），　就可实现对航行器位置（‘ｐ，　）和航向ＴＣ的解算。　由式（１）和式（２）可见，海洋下行辐射率峰值方　向与太阳方向在地平坐标系中满足　
』　＝　ｓ＋［　ｓ一　＾ｓ，（　）］，　（１１）　
［Ａ　ｓ＝Ａ　。　

则海洋下行辐射率峰值方向对应的赤纬、格林时角可　
由太阳的赤纬、格林时角经赤纬、格林时角坐标系到　
地平坐标系的正、逆２次变换求解…　：　
ｒ　ｓ　口ｓｉｎ［ｓｉｎ妒ｓｉｎ妒ｓ＋ｃ。ｓ　ｃｏ　ｓＣＯＳ（Ａ　ｓ—Ａ）］，　
ｌＡｓ＝ｎｃｔａｎ【ｉ　一。ｉ　（Ａ　一Ａ）】；‘　２　

ｒ妒　＝。ｓｉｎ（ｓｉｍｐｓｉｎ　ｈｌ—ｃｏｓ　ｃ。ｓ　ｈ￣ｃｏｓＡ　），　
ｉＡ　一Ａ：ｎ。ｔａｎ（　＋ｓｉｎ￣ｐ　ｃｔａｎＡ　）。‘　３　

在实际导航过程中，航行器的姿态是变化的，使　
得探测基座不再保持水平。惯性导航系统能提供航　
行器的姿态角，利用这些信息相应地将式（５）中的变　
换矩阵Ｍ做相应的变换即可消除航行器姿态变化的　
影响。因此，导航基本原理如图６所示。