自然界的很多生物具有导航能力，如蜜蜂、沙蚁等一些昆虫能利用本身特殊的神经感杆结构，感知自然光的偏振特性从而进行自身的导航定位。基于天空偏振光的定向方式，不同于传统的电子罗盘定向原理，不受磁场因素的干扰，拥有更广阔的发展前景，具有重要的研究价值。本文主要研究内容如下：　　1. 基于昆虫的神经感杆视觉结构，搭建了一种仿生的偏振图像采集系统，系统由工业相机、起偏器和计算机组成，可以获取大气偏振信息分布模式。此系统能测量全天域的偏振信息分布，与传统光电二极管原理的偏振测量原理相比，有更好的抗干扰性和空间分辨率。经过室内大量重复性测试，对该装置进行了标定，经过补偿系数修正后，该系统可以实现对大气偏振信息分布模式的测量。　　2. 研究了大气偏振模式形成的原理和理论模型，对它的对称性特征做了实际观测和实验验证。实验证明了大气偏振模式的对称性是随着时间稳定、连续变化的，此特征能成为方位角的参考基准。　　3. 研究了太阳子午线的计算方法，针对求解相对航向角过程中太阳子午线的二义性问题，本文提出了根据太阳子午线和逆太阳子午线附近的偏振度的不同大小来区分太阳子午线和逆太阳子午线的解决方法。　　4. 实现了对偏振图像采集装置航向角的获取。该方法利用图像对称性提取算法，得到装置与太阳子午线的相对航向角，然后利用拍摄时间和经纬度计算实时太阳方位角实现航向角的获取。　　5. 针对偏振图像的对称性提取算法，研究了基于主元分析和阈值松弛算法的偏振图像对称性提取算法，对算法分别进行实验评估后，提出了一种结合主元分析和阈值松弛算法的改进型偏振图像对称性提取算法。通过实验验证，该改进算法的平均测量误差相对前两种算法误差分别减少了8.33%和18.5%，并且算法运行时间分别减少了28.1%和51.9%。该改进算法的误差范围为-0.52°至0.33°，可以为航向角的获取提供有效数据支持。