太阳光是最常见的一种自然光,其经过地球大气传输时会被大气中的分子、气溶胶粒子和云雾等作用而发生散射,使得整个天空的散射光都具有一定的偏振特性。这些天空光传输到水下时,还会受到水面折射、水下散射等因素影响,偏振特性也将随之改变。人们发现沙蚁、草虾等生物可以利用这些偏振光辨别方位,受此启发,利用偏振光进行导航定位的仿生偏振导航技术逐渐成为国内外的研究热点。为了探究水下偏振光的分布模式,从而为水下偏振导航的应用提供理论基础,本文主要进行了以下研究:首先利用斯托克斯矢量和穆勒矩阵,建立了包括大气散射、水面折射以及水下散射等过程的偏振传输理论模型。其中,大气散射过程根据瑞利散射理论建立,对于水面折射过程,则根据折射定律、菲涅耳公式和Cox-Munk波浪模型共同构建了平静水面以及波浪水面的偏振传输模型,对于水下散射过程,则主要考虑了由水分子引起的单次瑞利散射。然后利用所建立的理论模型对水下偏振分布模式进行仿真分析,分别对晴朗大气、平静水面以及波浪水面下的偏振分布模式进行了仿真分析。仿真结果表明,大气及水下的偏振分布模式高度依赖于太阳位置,说明偏振特性中包含了可以被用于导航的方位信息。此外,不同的水面波浪情况以及水下散射过程也会改变光线的偏振特性,利用本模型可以预测多种条件下的水下偏振分布模式。最后利用偏振相机搭建实验装置获取了实际水下偏振分布模式图,与相同条件的仿真结果进行对比分析,两者的偏振分布规律具有很好的一致性,验证了本文所建立的偏振传输理论模型的正确性。研究结果表明,水下偏振分布模式主要与太阳位置有关,包含了可用于导航的方位信息,但同时也会受到水面波浪以及水中的水分子散射等因素影响,利用本文所建立的偏振传输模型可以在考虑主要影响因素的条件下对波浪水下偏振分布模式进行准确预测。