基于天光偏振模式的导航技术研究(5)
图7 晴朗天空不同波段的天空偏振分布
图8 细雨天气不同波段的天空偏振分布
从图7晴朗天空条件下可以直观看出，紫、蓝、红3 波段的偏振度分布是不同的，天空偏振度围绕偏振中性点(图中环状中心) 有规律地分布，与理论模型结果相近，但3 个波段的偏振度分布中偏振中性点的位置有所差异，最大偏振度(图中黑色区域)出现的区域也不尽相同。
图8为阴天条件(天空阴沉，伴有细雨) 下天空偏振度分布图，有2个中性点出现，不同波段天空偏振的中性点及偏振度分布也是相似但各不相同。
为了说明不同观测波段天空偏振度的强度大小，分别将图6和图7中不同波段的偏振度影像的偏振度取平均值。晴朗天空在紫、蓝、红3个波段偏振度影像的偏振度平均值分别为0. 136、0. 152、0. 360；阴天天空在紫、蓝、红3个波段偏振度影像的偏振度平均值分别为0. 109、0. 136、0. 102，如图9 所示。实验中无论晴朗或阴天天空，其偏振度平均值均高于5%的探测门限，满足利用偏振光导航所需偏振度大小的最低要求。晴朗天空的偏振度随着观测波长的变长，其偏振度的值在增长；而多云天气蓝波段偏振最大，紫波段和红波段相对较小。从图9中还可以看出，3个波段的多云天气的平均偏振度均小于晴朗天气的平均偏振度，这也说明阴天条件下，大气粒子多次散射产生比较强烈的退偏振效应，致使整个影像的偏振度大大降低，这表明蓝波段是更适用于偏振光导航的探测波段。
图9 不同波段偏振度影像的偏振度平均值
2.4天极点的重要特性
三十多年前，Frisch就发现蜜蜂能够利用天空中可见的偏振光进行定向。尽管有些其他动物，包括一些脊椎动物，也被发现对偏振光有所反映，但是几乎所有的注意力都局限于电矢量的振动方向( E-vector 方向) 与动物的方向性反映是静态的关系。实际上，由于太阳运动引起天空偏振光模式图绕太阳旋转，动物可以利用偏振光的动态属性并从中获取更有用的信息。比如，地理南北极与天球的交点--- 天极点可以为动物提供一个固定的航标。
在大多数情况下，太阳光散射主要是瑞利散射，在这种情况下，天空偏振光的E-vector方向是完全可以预测的。在天球表面，我们可以方便地定义天空中相对于观测者和太阳连线的所有点的E-vector方向，在天空中任意点处，E-vector方向相切于以观测者和太阳连线为中心并与其垂直的圆。任意圆上的所有点与太阳等距离且几乎有相等的偏振度。尽管最大偏振度与天空光波长及大气条件有关，但通常发生在与太阳角距90 的地方。由于偏振模式图与太阳位置紧密相关， 所以它们好像以每小时15 的速度绕天极点旋转。
天极点承载着重要属性[27]，就是整个E-vector 分布绕其旋转，如图10 所示。有些动物能够敏感到整个天空偏振模式图围绕天极点以每小时15 的速度旋转，它们通过观测绕极点旋转的最大偏振线确定极点的位置。这时，天极点的方位角就是偏振罗盘方向，天极点的高度就是观测者的纬度。就像Wheatstone在1984年指出的那样，天极点处的E- vector方向就是当地的真太阳时。
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