水下仿生光磁導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢探討

吳新冬1申沖1 曹慧亮1王晨光2唐軍1劉俊1

1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院省部共建動(dòng)態(tài)測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051；2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,太原 030051

【引用格式】吳新冬,申沖,曹慧亮，等.水下仿生光磁導(dǎo)航技術(shù)綜述[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2023(4):13-25.

摘 要針對(duì)水下導(dǎo)航資源受限的問題，受動(dòng)物優(yōu)異的自主導(dǎo)航能力的啟發(fā)，對(duì)國內(nèi)外水下仿生光磁導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和回顧。從水下偏振光場、生物的地磁導(dǎo)航機(jī)理以及生物的光磁復(fù)合導(dǎo)航機(jī)理入手，介紹了水下仿生偏振光導(dǎo)航、仿生地磁導(dǎo)航以及仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航的基本原理和研究現(xiàn)狀；通過分析現(xiàn)有仿生導(dǎo)航方法的優(yōu)勢與限制，主要從提升復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性的層面闡述了目前需要解決的關(guān)鍵問題；根據(jù)目前水下仿生光磁導(dǎo)航的研究現(xiàn)狀，在導(dǎo)航原理、導(dǎo)航精度以及導(dǎo)航范圍三個(gè)方面，探討了水下仿生光磁導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢，對(duì)水下仿生光磁導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞磁導(dǎo)航機(jī)理；仿生地磁；仿生偏振光；仿生組合導(dǎo)航；光磁復(fù)合導(dǎo)航；水下導(dǎo)航；水下偏振光場

1 引 言

近年來，水下導(dǎo)航技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注［1-3］。一方面，探測海洋中豐富的資源對(duì)導(dǎo)航技術(shù)提出了更高的要求；另一方面，水下軍民領(lǐng)域任務(wù)如水下搜救、精密測量、環(huán)境感知、軍事作戰(zhàn)等，均需依賴于準(zhǔn)確可靠的導(dǎo)航技術(shù)。當(dāng)前，已經(jīng)開發(fā)了各種各樣應(yīng)用于水下任務(wù)的導(dǎo)航技術(shù)，如水聲定位、全球衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等［4-8］。其中基于水聲定位的導(dǎo)航方式受到海底應(yīng)答器的制約，只能提供已知區(qū)域的導(dǎo)航信息；GPS或北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在水下會(huì)受到高電磁損耗的阻礙；而慣性導(dǎo)航的漂移使得在水下航行時(shí)不得不利用輔助傳感器定期對(duì)其誤差歸零。 在傳統(tǒng)水下導(dǎo)航技術(shù)受到限制的條件下，模仿動(dòng)物的導(dǎo)航能力去實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航為我們提供了全新的思路。由進(jìn)化篩選出的動(dòng)物導(dǎo)航系統(tǒng)往往是高效且魯棒的，因?yàn)樽匀唤缈偸莾A向于那些能在各類復(fù)雜條件下成功存活的個(gè)體。 本文從自然界中的光磁信息出發(fā)，回顧了仿生偏振光導(dǎo)航、仿生地磁導(dǎo)航和仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航的發(fā)展流程以及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)與關(guān)鍵問題，并對(duì)未來水下仿生光磁導(dǎo)航的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

2 仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù)

目前普遍認(rèn)為仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù)可以追溯到1914年Felix Santschi的螞蟻實(shí)驗(yàn)［9］。他首次發(fā)現(xiàn)了生物可以從天空的散射光中獲得指南針信息。在1947年Karl von Frisch的蜜蜂實(shí)驗(yàn)［10］后迎來了偏振導(dǎo)航的研究熱潮。 仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù)是根據(jù)太陽光穿過大氣層時(shí)產(chǎn)生的穩(wěn)定模式而進(jìn)行導(dǎo)航的技術(shù)，具有隱蔽、自主、無累計(jì)誤差等優(yōu)良特性，尤其適用于GPS拒止條件下的導(dǎo)航任務(wù)。此外，這種導(dǎo)航技術(shù)還有望擴(kuò)大人類自身的感官知覺，使人類獲得偏振導(dǎo)航感［11］。 當(dāng)前，仿生偏振光導(dǎo)航傳感器根據(jù)信息采集技術(shù)的不同，主要可分為基于光電二級(jí)管、基于多目相機(jī)以及基于焦平面分割等三類［12-16］。導(dǎo)航靈感主要來自于沙蟻、蜜蜂、蜣螂等生物［17-19］，并通過模擬生物的正交子眼實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息的獲取，基本流程如圖1所示。導(dǎo)航原理一般基于單散射瑞利模型，需要太陽光在測量之前要經(jīng)歷一次散射效應(yīng)，并要求散射粒子小于入射光波長。在這一條件下，光的電矢量方向?qū)⒋怪庇谔栁恢?、觀測者位置與散射粒子所形成的平面，即電矢量方向可以利用表示觀測者與太陽位置方向的太陽矢量以及觀測者與散射粒子方向的觀測矢量來表示，即：

（1）

▲圖1仿生偏振導(dǎo)航示意圖▲Fig.1Schematic diagram of biomimetic polarization navigation 目前，各類偏振導(dǎo)航方法基本均在此基礎(chǔ)上展開，并通過測量太陽位置來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，可主要分為電矢量叉乘法、太陽子午線擬合法、光軸（天頂）區(qū)域?qū)Ш椒ㄒ约胺磳?duì)稱性導(dǎo)航法。 電矢量叉乘法只需要觀測到任意兩個(gè)不同觀測位置下的電矢量方向即可實(shí)現(xiàn)太陽位置測量，具有最高的魯棒性以及較快的處理速度，但受限于實(shí)際散射與單瑞利散射的區(qū)別，測量不確定度也會(huì)較高。 太陽子午線擬合法需要保證太陽方向區(qū)域的可觀測性，在觀測條件理想的情況下，即使只利用最小二乘法進(jìn)行處理也可以得到較低的測量不確定度。但受限于其對(duì)觀測條件的要求，魯棒性較差；處理速度也會(huì)隨著擬合方法的不同而發(fā)生變化，總體而言，算法復(fù)雜度略高于電矢量叉乘法。

光軸區(qū)域?qū)Ш椒ㄖ焕霉廨S附近的觀測點(diǎn)，擁有最快的處理速度，但十分容易受到干擾。通常，這類導(dǎo)航方法主要用于高機(jī)動(dòng)且天空無遮擋的環(huán)境。 反對(duì)稱性導(dǎo)航法通過太陽子午線將偏振角劃分為具有反對(duì)稱特性的兩部分，要求其中任意一部分未被完全遮擋，相較于太陽子午線擁有更高的魯棒性，但受限于偏振角圖像并非嚴(yán)格滿足反對(duì)稱特征，測量不確定度較高。 此外，仿生偏振光導(dǎo)航精度與天氣、空氣質(zhì)量有關(guān)，天空越晴朗、空氣質(zhì)量越好，導(dǎo)航精度越高。當(dāng)前的研究認(rèn)為，在測試條件理想的情況下，航向角測量的極限精度可達(dá)角分級(jí)。蘇黎世大學(xué)［13］構(gòu)建了一個(gè)偏振光羅盤，并應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人上；德國航空航天中心（DLR）［20］研制了輕量級(jí)偏振導(dǎo)航傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽位置的估計(jì)；美國Polaris Sensor Technologies公司［21］推出了Skypass系列產(chǎn)品，通過多幀圖像合并處理，在理想條件下定向精度可達(dá)0.1°。國內(nèi)對(duì)仿生偏振光導(dǎo)航的研究主要集中于清華大學(xué)［22］、北京理工大學(xué)［23］、北京航空航天大學(xué)［24］、北方工業(yè)大學(xué)［25］、哈爾濱工業(yè)大學(xué)［26］、西北工業(yè)大學(xué)［27］、海軍艦艇學(xué)院［28］、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)［29］、南京理工大學(xué)［30］、蘇州大學(xué)［31］、國防科技大學(xué)［32］、合肥工業(yè)大學(xué)［33］、大連理工大學(xué)［34］以及中北大學(xué)［35］等。

▼表 1不同偏振導(dǎo)航方法比較▼Table 1Comparison of different polarization navigation methods

下面將從水下偏振光場出發(fā)，介紹水下仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1水下偏振光場

水下光場的偏振性質(zhì)由于可以應(yīng)用于導(dǎo)航、探測等各個(gè)領(lǐng)域而備受關(guān)注。19世紀(jì)，F(xiàn)resnel 描述了光入射不同介質(zhì)面的偏振特性，提出了菲涅爾公式。當(dāng)折射面為空氣-水面、入射光為大氣散射光時(shí)，若以、分別表示入射光天頂角與折射光天頂角，則折射過程可描述為

（2）

式中，為折射光的斯托克斯矢量；為入射光的斯托克斯矢量；為穆勒矩陣。

此后，受Karl von Frisch研究的啟發(fā)，人們開始對(duì)海洋環(huán)境以及200 m海底的電矢量進(jìn)行測量，并得到了水下偏振光場的基本特征［36-39］。1974年， Timofeeva V A ［40］在渾濁水域中探測到了40%以上的偏振強(qiáng)度。1989年，Kattawar G W等人［41］對(duì)水下偏振特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。1995年Horva ?th等人對(duì)水下折射偏振模式進(jìn)行了詳細(xì)分析［42］。2001年，Cronin T W等人［43］證實(shí)了在水下15 m處沿著任意視線方向，偏振角與太陽位置表現(xiàn)出簡單的函數(shù)關(guān)系。2006年，Sabbah S等人［44］的試驗(yàn)證明由瑞利模型計(jì)算的偏振場與水下實(shí)際光場具有相關(guān)性。 若將空氣與水的折射率用1與1.335表示，由折射定律，最大折射光天頂角近似等于48.5°。

（4）

圖2展示了空氣水面折射示意圖。當(dāng)太陽到達(dá)天頂或天空均勻地被厚云層覆蓋時(shí)，電矢量方向在除去正對(duì)天頂?shù)乃淄饩撬降模?5］。在晴朗天空條件下，水下電矢量方向隨著太陽位置的改變而發(fā)生改變。

▲圖2空氣水面折射示意圖▲Fig.2Schematic diagram of air water refraction 需要指出的是，上述研究結(jié)果主要適用于非常清澈的海洋或是湖泊的前50 m，對(duì)于渾濁或是更深的區(qū)域，電矢量方向?qū)⒅饾u接近水平。

2.2仿生水下偏振光導(dǎo)航

盡管早在1954年Waterman就發(fā)現(xiàn)海洋中的光線大多都是線偏振的，但受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備等原因，利用水下偏振光進(jìn)行導(dǎo)航的研究，于近年才逐漸開始。 2011年，Lerner A等人［46］證明了晴朗天空條件下水下偏振導(dǎo)航的可能性。同時(shí)，Voss等人［47-48］利用魚眼鏡頭，精確測量了水下偏振模式，推動(dòng)了水下光羅盤的理論研究與應(yīng)用。同年，You Y等人［49］討論了動(dòng)態(tài)海洋表面下的偏振光場，建立了高動(dòng)態(tài)水下偏振輻射模型。2018年，來自昆士蘭大學(xué)的Powell S B等人［50］提出了基于水下偏振信息的定位方法，其精度達(dá)到了6 m/1 km，為遠(yuǎn)距離水下導(dǎo)航提供了新的可能性。2019年，Dupeyroux J等人［51］提出了紫外單像素點(diǎn)定向方法，并在清澈淺水區(qū)進(jìn)行了偏振定向?qū)嶒?yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同地面測量相仿。2020年，螳螂蝦被證明利用頭頂?shù)钠衲Ｊ竭M(jìn)行定向［52］。 在國內(nèi)，大連理工大學(xué)于2019年［53］建立了水下單次瑞利散射偏振模型，2021年［54］研究了波長、水濁度、水成分等因素對(duì)水下大氣偏振模式的影響，證明了大氣偏振導(dǎo)航在不同水質(zhì)條件下完成導(dǎo)航的可能性。2022年，北京航空航天大學(xué)［55］提出了一種基于斯內(nèi)爾窗口的水下光羅盤太陽位置跟蹤算法，太陽方位與天頂角的誤差分別小于1.3°與0.3°，表明了水下光羅盤導(dǎo)航的巨大潛力。水下仿生偏振光導(dǎo)航研究進(jìn)展情況如表2所示。

▼表 2水下仿生偏振光導(dǎo)航研究進(jìn)展▼Table 2Research progress of underwater polarized light navigation

綜上可以發(fā)現(xiàn)，一方面，隨著精密儀器技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的研究現(xiàn)狀已經(jīng)從水下偏振導(dǎo)航的可行性探索，逐漸轉(zhuǎn)向了水下偏振導(dǎo)航測試。水下偏振導(dǎo)航的影響因素以及水下偏振導(dǎo)航方法正在蓬勃發(fā)展。另一方面，從水生生物導(dǎo)航技術(shù)的角度看，對(duì)水下生物偏振導(dǎo)航的機(jī)理研究也取得了一定的突破，為仿生水下偏振光導(dǎo)航提供了生物學(xué)上的參考。其發(fā)展趨勢正逐漸向著深度結(jié)合水生生物的偏振導(dǎo)航機(jī)理的方向靠近，以期進(jìn)一步提升水下偏振導(dǎo)航的魯棒性與適用范圍。

2.3關(guān)鍵問題

總體而言，雖然對(duì)水下仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù)的研究仍處于起步階段，但這種導(dǎo)航方式已經(jīng)在水下定位、定向以及太陽追蹤等方面展現(xiàn)出巨大的潛力，它不受磁干擾、沒有累計(jì)誤差且計(jì)算量小，為水下導(dǎo)航提供了有趣的解決方案。因此開展面向水下應(yīng)用的仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù)研究是十分必要的。 值得注意的是，目前水下仿生偏振光導(dǎo)航只是試圖將偏振模式作為指南針或定位裝置。對(duì)于水下姿態(tài)測量的研究較為匱乏。此外，仍然存在著一些水下復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性難題急需解決，主要包括： （1）受限于水下天窗偏振信息受水濁度與深度等因素的影響，現(xiàn)有的導(dǎo)航方式難以實(shí)現(xiàn)高濁度深水導(dǎo)航； （2）水下天窗偏振信息在水花的影響下會(huì)受到破壞等問題。

3 仿生地磁導(dǎo)航技術(shù)

生物的遷徙與覓食在很大程度上依賴于對(duì)地磁場的精確感知。磁場強(qiáng)度、磁傾角、磁偏角等信息能夠幫助動(dòng)物確定自身所在的位置并幫助動(dòng)物完成導(dǎo)航［56-57］。 受生物地磁導(dǎo)航能力的啟發(fā)，近些年仿生地磁導(dǎo)航作為一類新的導(dǎo)航方法被提出。這種導(dǎo)航方式可以被視為一種多目標(biāo)實(shí)時(shí)搜索的問題［58-60］。簡言之，仿生地磁導(dǎo)航區(qū)別于傳統(tǒng)地磁導(dǎo)航技術(shù)，它并不需要先驗(yàn)地磁數(shù)據(jù)庫。在已知目標(biāo)位置的地磁參量值時(shí)，通過比較目標(biāo)位置與當(dāng)前位置的地磁參量來得到運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如圖3所示。

▲圖3仿生地磁導(dǎo)航示意圖▲Fig.3Schematic diagram of biomimetic geomagnetic navigation 本節(jié)將以磁感知機(jī)理假說模型入手，對(duì)水下仿生地磁導(dǎo)航的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

3.1磁感知機(jī)理

除了來自天空的自然線索外，地磁場也在許多遷徙動(dòng)物的導(dǎo)航中起到了至關(guān)重要的作用。通常認(rèn)為，夜間遷徙的鳴禽在遠(yuǎn)距離導(dǎo)航階段依賴于磁場線索［61］。20世紀(jì)，利用地磁場進(jìn)行導(dǎo)航的能力在候鳥身上得到了證實(shí)。此后，人們對(duì)生物的磁感知機(jī)理進(jìn)行了大量的研究并提出了地磁感知假說模型，其中以電磁感應(yīng)、磁鐵礦受體以及自由基對(duì)假說模型為主要代表［62-66］。電磁感應(yīng)假說模型認(rèn)為電感與磁感之間具有密切聯(lián)系，并在鰩魚與鯊魚的研究中得到了印證［67-69］，但并不確定這些生物是否利用電導(dǎo)體，通過靜態(tài)磁場時(shí)產(chǎn)生的電壓作為磁感受器［70］。此外，對(duì)于陸生生物來講，目前尚無關(guān)于此類假說的報(bào)道。這意味著生物，尤其對(duì)于陸生生物而言，似乎還存在另外的磁感知機(jī)理［71］。鳥類喙區(qū)的磁鐵礦受體被認(rèn)為也許能夠感知磁場強(qiáng)度，而磁場的方向似乎可以利用眼睛中的自由基對(duì)來進(jìn)行感知［72-73］。

需要指出的是，目前的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，上述三種磁感知假說似乎并不是相互排斥的，自由基對(duì)與磁受體機(jī)制可能在幾種生物中同時(shí)存在，并分別提供羅盤信息與地圖信息［74-75］。 總體來看，盡管生物如何利用地磁場的信息進(jìn)行導(dǎo)航?jīng)]有定論，且仍不清楚生物如何在存在大量噪聲源的情況下精確感知地磁場信息，但已經(jīng)形成了部分被認(rèn)為在物理上可行的假說，以及支持這些假說的相關(guān)證據(jù)。這為仿生地磁導(dǎo)航提供了生物上的理論模型參考。

3.2水下仿生地磁導(dǎo)航

作為一種新興的導(dǎo)航方式，水下仿生地磁導(dǎo)航越來越受到關(guān)注。通常認(rèn)為部分生物能夠利用磁羅盤與磁地圖來確定方向與位置。并通過對(duì)磁場強(qiáng)度或磁場線傾角的感知，這類生物能夠建立起一個(gè)基于地球磁場的生物版全球定位系統(tǒng)［76］。 2003年，多刺龍蝦［77］被證明可以利用磁地圖感知進(jìn)行導(dǎo)航。2009年，Kato N 等人［78］受水生動(dòng)物地磁輔助導(dǎo)航的啟發(fā)，仿真驗(yàn)證了利用地磁信息進(jìn)行導(dǎo)航的性能；2011年，Putman N F等人［58］發(fā)現(xiàn)海龜可以從地磁場中提取位置信息。2015年，Brothers J R等人［79］發(fā)現(xiàn)海洋生物如海龜?shù)壤玫卮啪€索定位筑巢海灘，并于2018年［80］從遺傳學(xué)的角度為海龜?shù)牡卮艑?dǎo)航提供了佐證，進(jìn)一步推動(dòng)了水下仿生地磁導(dǎo)航的研究。2019年，Lohmann K J等人［81］在鮭魚中也發(fā)現(xiàn)了同海龜相似的地磁導(dǎo)航機(jī)制。

在國內(nèi)，2014年，浙江大學(xué)［82-83］模擬了動(dòng)物的長距離運(yùn)動(dòng)，此后于2016年提出了遠(yuǎn)距離仿生地磁導(dǎo)航方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。2017年，西北工業(yè)大學(xué)［84-85］提出了一種不使用任何先驗(yàn)信息的水下仿生地磁自主導(dǎo)航方法，仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的優(yōu)越性。2019年，河海大學(xué)［59］發(fā)展了一種多智能體的水下仿生地磁導(dǎo)航算法，在磁異常干擾下獲得了良好性能。2020年，東南大學(xué)［86］提出了一種地磁梯度輔助的水下仿生地磁導(dǎo)航算法，仿真結(jié)果表明，即使在部分磁異常區(qū)域該仿生導(dǎo)航算法也可以實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用。2022年，哈爾濱工程大學(xué)［87］提出了一種基于自由基對(duì)理論的仿生磁羅盤算法，相較于傳統(tǒng)的橢圓擬合算法，精度提升了30%以上。 水下仿生地磁導(dǎo)航研究進(jìn)展情況如表3所示。可以看出，隨著磁感知假說模型以及對(duì)水生生物地磁導(dǎo)航研究的不斷深入，當(dāng)前的水下仿生地磁導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)可以通過結(jié)合磁感知假說模型來實(shí)現(xiàn)性能的提升，并且已經(jīng)完成了仿真驗(yàn)證。近年來，該技術(shù)已經(jīng)向著水下導(dǎo)航試驗(yàn)推進(jìn)，并將為水下導(dǎo)航任務(wù)，特別是遠(yuǎn)距離導(dǎo)航任務(wù)，提供具有高度自主性、隱蔽性以及不產(chǎn)生累計(jì)誤差的導(dǎo)航參數(shù)。

▼表 3水下仿生地磁導(dǎo)航研究進(jìn)展▼Table 3Research progress of underwater biomimetic geomagnetic navigation

3.3關(guān)鍵問題

總的來說，國內(nèi)外關(guān)于仿生地磁導(dǎo)航方法的研究目前主要處于生物導(dǎo)航機(jī)理探索以及仿真驗(yàn)證階段，整體上研究還不夠深入，距離真實(shí)水下環(huán)境中的應(yīng)用仍有一段距離。 需要指出的是，除了要研究高磁敏感性的材料外，目前仿生地磁導(dǎo)航方法還有一些難題急需解決： （1）對(duì)于水生生物地磁導(dǎo)航的機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，現(xiàn)有方法無法準(zhǔn)確構(gòu)建水下生物地磁導(dǎo)航的模型； （2）水下地磁導(dǎo)航時(shí)容易受到磁異常干擾，現(xiàn)有方法在磁異常干擾下難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置測量。

4 仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航技術(shù)

按照距離目的地的遠(yuǎn)近，生物的遠(yuǎn)距離遷徙可以被劃分為遠(yuǎn)距離導(dǎo)航、歸航以及最終目的地確定三個(gè)階段。在不同的遷徙階段，生物采用的導(dǎo)航手段并不完全相同，大腦的處理策略與行為有很大的差異。因此，在一段完整的遠(yuǎn)距離遷徙中，往往需要考慮多種導(dǎo)航線索。 單一的仿生偏振光導(dǎo)航或仿生地磁導(dǎo)航均難以同時(shí)獲取準(zhǔn)確魯棒的全導(dǎo)航信息來完成導(dǎo)航任務(wù)。而應(yīng)用多源信息的生物導(dǎo)航策略為我們提供了參考。模仿生物將多源信息進(jìn)行復(fù)合處理，能夠有效提升導(dǎo)航性能，圖4展示了結(jié)合捷聯(lián)慣導(dǎo)的仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航示意圖。

▲圖4仿生組合導(dǎo)航示意圖▲Fig.4Schematic diagram of biomimetic integrated navigation 本節(jié)將從生物的光磁復(fù)合導(dǎo)航機(jī)理入手，重點(diǎn)關(guān)注仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航技術(shù)，簡述研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展方向。

4.1光磁復(fù)合導(dǎo)航機(jī)理

地圖信息與羅盤信息構(gòu)成了生物導(dǎo)航的必備要素。對(duì)羅盤信息而言，當(dāng)前對(duì)來自天空的信息與磁信息的優(yōu)先級(jí)別仍然存在一定的爭議。部分研究認(rèn)為天空信息優(yōu)先，地磁作為最后的導(dǎo)航手段［89］。另一些測試證明，在遷徙中，磁場作為鳥類的主要方向線索［90-92］。根據(jù)生物行為測試中的矛盾點(diǎn)，部分研究認(rèn)為，天空線索與磁線索在生物的遷徙前與遷徙中似乎表現(xiàn)出不同的顯著性，即遷徙前天空線索為主要參考，而在遷徙中磁線索會(huì)被優(yōu)先考慮。同時(shí)，兩者之間的反復(fù)校準(zhǔn)可能取決于鳥類是否有一個(gè)完整的天空視野以及是否能在日落時(shí)分對(duì)天空進(jìn)行觀測［93］。 另一方面，已經(jīng)證明磁場的傾角與強(qiáng)度可以被生物利用并作為地圖線索來判斷位置［94-95］。然而，天空信息，如太陽高度等，似乎并不被動(dòng)物用來確定位置。盡管太陽高度角也可以提供位置信息，但鳥類和昆蟲往往會(huì)忽略這些信息［96］。此外，鳥類及蠑螈等生物的偏振光接收與光依賴磁接收之間似乎具有一個(gè)共同的受體系統(tǒng)［97-98］，這進(jìn)一步為光磁復(fù)合導(dǎo)航提供了生物學(xué)上的證據(jù)。最近自由基對(duì)假說模型在視覺調(diào)制模式中對(duì)隱花色素與方向的研究，似乎展現(xiàn)出了與大氣偏振模型中偏振角以及偏振度相似的特征［99］。 總之，當(dāng)前研究表明，在鳥類的羅盤系統(tǒng)中，有必要在光磁信息之間進(jìn)行校準(zhǔn)。并且在校準(zhǔn)時(shí)環(huán)繞天頂至少95°的天空信息需能夠被生物觀測，而非僅利用天頂區(qū)域附近的偏振光線索。對(duì)于地圖系統(tǒng)而言，生物可以利用地磁信息來確定位置。

4.2光磁復(fù)合導(dǎo)航

目前，普遍認(rèn)為動(dòng)物的長距離遷移往往依賴于多尺度和多感官的線索整合［100］。如候鳥被證明可以利用太陽及其相關(guān)的偏振光模式、恒星、地球磁場，以及空間線索記憶等方法來進(jìn)行導(dǎo)航。仿生偏振光導(dǎo)航方法與地磁導(dǎo)航方法均有各自的優(yōu)勢以及劣勢，將不同的導(dǎo)航方法進(jìn)行組合并實(shí)現(xiàn)一體化的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，并可有效增強(qiáng)仿生導(dǎo)航的精度與魯棒性。 1993年，Able K P等人［101］發(fā)現(xiàn)候鳥利用偏振光信息矯正自身的磁羅盤。1996年，F(xiàn)rier H J等人［102］的實(shí)驗(yàn)證明，蜜蜂除利用天空線索外，還可以利用磁線索與視覺線索進(jìn)行導(dǎo)航。2010年，Holland R A等人［103］發(fā)現(xiàn)夜行性哺乳動(dòng)物鼠耳蝠同樣可以利用偏振模式校準(zhǔn)磁羅盤。2011年，Merlin C等人［104］初步揭示了昆蟲使用時(shí)間補(bǔ)償?shù)钠窳_盤、地磁或夜空進(jìn)行遷徙的策略。

2013年，Dacke M等人［105］發(fā)現(xiàn)非洲滾球蜣螂整合太陽、月亮、天空偏振模式以及地磁等信息進(jìn)行導(dǎo)航。2018年，F(xiàn)leischmann P N等人［106］發(fā)現(xiàn)沙蟻不僅利用偏振光、路徑積分、地標(biāo)導(dǎo)航，還可以利用地磁場作為指南針線索。2019年，Lindecke O等人［107］首次證明遷徙蝙蝠利用日落時(shí)的偏振羅盤矯正指南針系統(tǒng)。2020年，Wehner R等人［108］發(fā)現(xiàn)沙蟻將偏振、視覺、地磁、嗅覺、觸覺等信息結(jié)合進(jìn)行導(dǎo)航。

2022年，Giuseppe B等人［109］發(fā)現(xiàn)遷徙的鳴禽可能采用身體對(duì)準(zhǔn)的方式整合來自天體和磁場的方向線索。2023年，Tonelli B A等人［110］提供了宏觀生態(tài)學(xué)證據(jù)，表明了鳥類普遍依賴有利的太陽和磁場條件來準(zhǔn)確遷移。 國內(nèi)，2009年，合肥工業(yè)大學(xué)［111］設(shè)計(jì)了一種偏振光、地磁與GPS組合導(dǎo)航的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2015年，大連理工大學(xué)［112］提出了一種融合偏振光以及地磁場的定位方法，驗(yàn)證了光磁復(fù)合的可行性。2018年，西北工業(yè)大學(xué)［113］提出了一種利用偏振光與地磁確定近地軌道微衛(wèi)星姿態(tài)的方法。2019年，國防科技大學(xué)［114］提出了一種偏振光、地磁、慣性的組合導(dǎo)航方法，提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的環(huán)境適用能力。

2021年，北京航空航天大學(xué)［115］提出了一種基于觀測度的自適應(yīng)聯(lián)邦濾波算法，提高了慣性、偏振光、地磁組合導(dǎo)航的可靠性；并于2022年［116］提出了一種應(yīng)用于遠(yuǎn)洋航行的捷聯(lián)慣導(dǎo)、仿生偏振光、地磁的組合導(dǎo)航方法；2022年，揚(yáng)州大學(xué)［117］討論了捷聯(lián)慣導(dǎo)、GPS、偏振光以及地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行對(duì)準(zhǔn)問題，有效提升了組合導(dǎo)航性能。同年，北方工業(yè)大學(xué)［118］提出了一種基于深度Q學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的陀螺儀、加速度計(jì)、偏振光以及磁力計(jì)的組合導(dǎo)航方法，提高了姿態(tài)估計(jì)精度。之后，中北大學(xué)［119］建立了一種基于優(yōu)化三軸姿態(tài)算法的偏振光地磁導(dǎo)航組合定姿模型。仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航方法對(duì)比如表4所示。

▼表 4仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航方法對(duì)比▼Table 4Comparison of biomimetic polarization and geomagnetic composite navigation methods

總的來講，當(dāng)前的研究集中于生物的多源導(dǎo)航策略以及仿生多源導(dǎo)航信息策略的初步驗(yàn)證階段。導(dǎo)航范圍已經(jīng)從地面或近地面導(dǎo)航拓展至航天［113］與航海［116］。目前生物如何整合多種導(dǎo)航信息的機(jī)理仍不清楚，這些線索的相互作用以及重要性關(guān)系仍然是研究的熱點(diǎn)。未來，對(duì)于僅使用光磁復(fù)合的導(dǎo)航方法而言，利用偏振光信息矯正磁羅盤信息為主要的研究方向。而在多傳感器融合的導(dǎo)航方法中，主要以慣性導(dǎo)航為核心展開研究，其研究熱點(diǎn)為如何利用仿生光磁信息提升組合導(dǎo)航性能。

4.3關(guān)鍵問題

綜上，國內(nèi)外對(duì)于光磁等導(dǎo)航線索相互作用的導(dǎo)航機(jī)理研究較淺，仍然存在許多爭論，在導(dǎo)航方法上處于初探階段，同樣有待進(jìn)一步深入研究。 此外，受限于水下仿生偏振光導(dǎo)航與水下仿生地磁導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀，當(dāng)前水下仿生多源導(dǎo)航信息處理技術(shù)還未進(jìn)行系統(tǒng)研究。關(guān)于水下仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航的研究開展得較少，主要存在的難點(diǎn)與問題為：水下環(huán)境惡劣，光磁復(fù)合導(dǎo)航受干擾嚴(yán)重，現(xiàn)有地面或近地面的仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航方法難以直接應(yīng)用于水下導(dǎo)航之中等。 但毋庸置疑的是，根據(jù)生物的導(dǎo)航技術(shù)特點(diǎn)，水下仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航必將成為未來水下仿生導(dǎo)航的一大熱點(diǎn)方向。

5 發(fā)展趨勢

（1）渾濁水域/深水的偏振探測與仿生導(dǎo)航。當(dāng)前，水下偏振導(dǎo)航的研究局限于淺水或清澈水域，當(dāng)AUV航行至深水或渾濁水域時(shí)，仿生偏振導(dǎo)航將失效，導(dǎo)航結(jié)果會(huì)變得不再可信。因此，突破水下能見度限制，實(shí)現(xiàn)渾濁水域/深水的仿生偏振探測與導(dǎo)航解算，將能夠有效擴(kuò)展仿生偏振導(dǎo)航的應(yīng)用范圍。 （2）水花/波浪等復(fù)雜環(huán)境下的高魯棒、高精度水下偏振導(dǎo)航。水下導(dǎo)航資源受限，天空偏振信息會(huì)耦合來自水花/波浪等復(fù)雜環(huán)境帶來的量測噪聲?，F(xiàn)有的方法存在算法復(fù)雜度高、補(bǔ)償效果不理想等問題，因此，水下復(fù)雜環(huán)境中的高魯棒、高精度偏振導(dǎo)航方法急需深入研究。 （3）水生生物的磁感機(jī)制與導(dǎo)航原理。當(dāng)前的研究表明，水生生物同陸生生物的磁感機(jī)制似乎存在不同，并且這一磁感知機(jī)制可能并不單一。

探明水生生物如何完成磁信息感知與導(dǎo)航將為仿生磁導(dǎo)航技術(shù)提供進(jìn)一步的生物學(xué)參考，并有望實(shí)現(xiàn)水下仿生磁導(dǎo)航的技術(shù)突破。 （4）水下磁異常干擾的仿生地磁導(dǎo)航。水下環(huán)境復(fù)雜，地殼中磁性物質(zhì)的分布不規(guī)律、強(qiáng)度不均勻引起的地磁異?？赡軐?dǎo)致仿生地磁導(dǎo)航方法的失效。盡管當(dāng)前對(duì)水下磁異常下的仿生導(dǎo)航方法進(jìn)行了一定的研究，但仍然存在算法復(fù)雜度較高等問題。因此，對(duì)磁異常干擾下的仿生地磁導(dǎo)航技術(shù)的研究將有望提升仿生地磁導(dǎo)航技術(shù)的魯棒性。

（5）水下仿生偏振光羅盤與磁羅盤的信息矯正策略。生物的光磁羅盤信息矯正為水下仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航提供了新的研究思路，并將實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)，有望提升水下仿生導(dǎo)航的定向精度。 （6）水下仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航方法。水下環(huán)境復(fù)雜，單一導(dǎo)航手段容易受到干擾。模仿生物的復(fù)合導(dǎo)航策略，研究融合多種感知手段的仿生光磁復(fù)合導(dǎo)航技術(shù)至關(guān)重要，將能夠有效提升水下航行的自主性，并拓寬水下航行范圍。

6 結(jié) 論

受生物讓人驚嘆的導(dǎo)航能力的啟發(fā)，仿生導(dǎo)航技術(shù)在近些年受到了廣泛的關(guān)注與研究，并從地面或近地面的研究轉(zhuǎn)向了更加復(fù)雜的水下環(huán)境。本文對(duì)仿生光磁導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了回顧，重點(diǎn)關(guān)注了水下仿生偏振光導(dǎo)航、水下仿生地磁導(dǎo)航以及光磁復(fù)合導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。水生生物簡潔高效的導(dǎo)航技術(shù)，使得當(dāng)前的水下仿生導(dǎo)航技術(shù)被寄予厚望，以期補(bǔ)償現(xiàn)有導(dǎo)航手段的不足，并完成全自主、高魯棒的水下導(dǎo)航任務(wù)。

審核編輯：黃飛