随着信息时代的到来,导航技术在生产生活以及军事应用等各方面扮演着越来越重要的角色。与惯性导航、卫星导航等技术相比,天文导航具有自主性强、隐蔽性好、无误差累积、可靠性高等优点。但是其结构复杂、造价昂贵、体积庞大,所以应用范围有限。现代生物学家通过实验发现,蜣螂、沙蚁等昆虫能够利用偏振视觉(对天空光偏振方向极其敏感的视觉组织、结构及其相关神经系统)感应天空光偏振分布,并通过大脑分析偏振方位来进行运动中的导航定位。这种利用天空光的仿生偏振导航方式受外界环境干扰更小,且误差不会随时间积累,拥有更广阔的发展前景。本文模仿昆虫偏振视觉结构,使用商用CMOS图像传感器和DSP数字信号处理芯片,结合微纳加工技术设计与开发了一种全新的成像式仿生偏振导航装置,它可以利用特定时间、地点天空光相对稳定的偏振分布,计算装置偏振零度参考线与子午线的夹角,输出航向角变化信息,具有更好的适应性和鲁棒性。本文内容主要有以下几个方面：首先,研究天空光偏振分布原理,分析成像式仿生偏振导航装置的工作方式,设计成像式仿生偏振导航装置的整体构架,搭建成像式仿生偏振导航装置的硬件系统。整个系统主要由长焦镜头、偏振片或金属光栅偏振器、图像传感器及数字信号处理器组成。其次,在初步完成成像式仿生偏振导航装置搭建的基础上,设计和编写成像式偏振导航装置内部嵌入式系统的工作程序,实现天空光偏振信息采集、图像数据提取、偏振方位角计算以及计算结果网络传输。然后,研究成像式仿生偏振导航算法,选择强度均匀的偏振图像区域提取象素值；引入图像滤波操作；针对微纳金属光栅偏振器,计算微纳光栅透射率比值；加入邻域补偿计算,解决过亮或过暗问题；使用六个偏振方向光强度,组成关于斯托克斯矢量的超限定方程组,求偏振方位角的最小二乘解,提高装置适应性和鲁棒性；模拟昆虫神经网络,定性测量光偏振信息。最后,室内、室外不同条件下对成像式仿生偏振导航装置的导航性能进行反复测试,室内精度-0.3-+0.5°,室外精度-1.0～+0.5°,验证成像式仿生偏振导航装置偏振导航的可行性,并根据测试表现不断修正工作程序中的相关参数,完善硬件和软件的设计方案。