基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法

 针对已有仿生偏振光导航方法中,根据局部天空区域的偏振信息获取导航信息存在的缺陷,提出一种基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法.该方法利用大气偏振模式的对称性定义了偏振响应和函数,根据大气偏振模式有限采样点的偏振信息,拟合估计出太阳子午线位置,并最终获取导航方向角信息,最后通过多组观测时刻、多组观测地点的仿真实验,验证了基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法的有效性.     

基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法

基于自然特性的导航科学具有重要的研究与应用价值,本文针对仿生偏振光导航技术中的航向角获取问题,研究了一种基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法。文章建立在对大气偏振模式分布规律的分析基础上,对获取的大气偏振模式图像进行对称性检测,利用大气偏振模式分布的对称性特征,根据检测结果确定大气偏振模式对称轴,即太阳子午线位置,进而解算出航向角信息,并通过实验验证了本文所述方法的有效性。本文提出的基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法是仿生偏振光导航的一个重要研究内容,对基于自然特性的导航方法与策略研究,具有重要的实践指导意义。      

多种天气条件下的天空光偏振模型

天空光偏振模型能够仿真天空光偏振态的分布规律,是研究天空光偏振态分布与大气特性参数之间的定量关系的重要工具.首先,基于倍加累加法的辐射传输模型和T矩阵法计算粒子散射特性,建立了适用于多种天气条件下的天空光偏振模型,可覆盖可见光波段到近红外波段;其次,在比较实验中,所建立模型的仿真结果与Hovenier等人的计算结果有95%的全天空光仿真点的相对误差小于5%;最后,利用基于液晶相位可变延迟器(liquid crystal variable retarders,LCVR)的全偏振成像探测系统进行全天空光探测实验,结果表明,所建模型的仿真精度优于传统模型,并且在80%的区域内与实际观测结果保持一致.由此可以得出结论,所建立的天空光偏振模型能够比较准确模拟多种天气下的全天空范围内天空光偏振态分布规律,为不同天气条件下偏振遥感探测和偏振导航等技术提供有力的理论依据.     

基于法拉第旋转镜的Michelson干涉仪偏振相位噪声研究

在理论上研究了由法拉第旋转镜构成的Michelson干涉仪的偏振特性,推导出Michelson干涉仪的偏振引入相位噪声与法拉第旋转镜旋转角偏差的关系式.理论分析法拉第旋转角有偏差时,引导光纤中的偏振态扰动(偏振噪声)会在干涉仪中引入相位噪声,该相位噪声水平与引导光纤中的偏振噪声水平和干涉仪输入光的偏振态有关.并且当法拉第旋转角偏差±2°时,可估算偏振引入的相位噪声与引导光纤中偏振噪声的幅度比值低于2×10-3;在多波长复用系统中,若法拉第旋转角偏差±5°,该幅度比值仍低于1.5×10-2.实验中观察到该幅度比值低于2.5×10-2,并发现输入光偏振态变化并不引起干涉仪相位噪声的变化,由此可知由法拉第旋转角偏差引入的相位噪声符合理论估算的量级,得到了很好的抑制.     

一种高度集成化的仿生偏振导航传感器

模仿昆虫复眼中的偏振敏感神经结构,利用四方向金属纳米光栅、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器和微控制器(MCU)设计了高度集成化的仿生偏振导航传感器。首先,利用纳米压印工艺将四方向金属纳米光栅直接集成在CMOS上,各偏振化单元角度精确,没有分立器件带来的装配误差。MCU采集含有偏振信息的图片,对原始图像进行预处理后,提取各偏振区域的光强值,计算偏振方位角并通过串口输出。最后,在室内积分球下对光栅局部缺陷和光学特性参数进行校正,标定后的传感器测量角度误差不超过±0.2°。提出的传感器具有集成度高、体积小、鲁棒性好等优点,依靠大气中稳定的偏振分布模式可以实现自主导航。     

偏振方位角对光学脉冲磁场传感器灵敏度的影响

理论分析了光学脉冲磁场传感器中偏振方位角对灵敏度和信噪比的影响, 提出了用偏振方位角的大小来提高脉冲磁场传感器灵敏度的方法。实验结果表明, 当偏振方位角分别为45°, 60°, 70°和80°时对应的灵敏度为1.8/T,1.9/T,2.9/T和4.6/T,因此增加偏振方位角可提高磁场传感器的灵敏度。实验结果和理论分析相吻合,验证了此方法的正确性。     

仿生偏振光检测系统的设计与实现

有效提取大气偏振模式信息是实现偏振光导航应用的前提条件.借鉴昆虫偏振敏感机理,设计了一种基于“3对偏振对比单元+1个光强检测单元”的仿生偏振光检测系统,详细阐述了光学前端接收结构、信号调理及主控硬件电路等功能模块设计.针对偏振正交误差的影响,基于激光器、调节台、偏振分析仪搭建了系统测试标定平台,并分别在室内暗场和室外晴朗天气下对传感器系统的输出偏振角进行了测试.结果表明,该系统偏振角平均误差小于0.5°,能够提供准确的航向信息,实现大气偏振模式的稳定获取.     

基于Monte Carlo方法的混浊大气偏振模式全天域建模

大气偏振模式中包含了丰富的空间方位、地表特性以及大气层结构参数等信息,在偏振光导航、遥感探测等领域都具有重要的研究价值,但经典的理想大气偏振模式仿真模型同实际分布模式之间存在明显差异,不能准确表征混浊大气偏振模式的全局分布特性。因此,提出了一种混浊大气偏振模式的建模方法,该方法以三维天球大气模型为基础,用Monte Carlo方法模拟太阳光在大气中的传输过程,实现了对混浊大气偏振模式全局分布的建模。实验表明,建模仿真结果同混浊大气偏振模式的分布规律一致,偏振度分布模式同实际分布高度吻合,偏振角分布模式同实际分布模式具有相同的分布和变化特性,利用该模型可对混浊大气的偏振模式分布与变化特性进行分析和预测。     

混浊大气对偏振导航影响的研究

偏振导航的有效性在很大程度上依赖于能否从不同大气状况中获取到有效的全天空偏振分布信息。文中依据矢量辐射大气传输方程仿真分析了无云晴空和混浊大气状况下的全天空偏振度和偏振角分布特征,并研究了大气混浊度、太阳方位、观测高度和观测波段对偏振分布的影响,进而探讨了不同大气状况下偏振导航的有效性。结果表明:太阳位置决定了全天空偏振分布图景的整体形式;混浊大气对近地层观测偏振信息的影响明显,当整层光学厚度增大至2以上时,偏振度将降低至0.1以下,此时偏振信息的检测难度增大,不利于导航,而以晴空为主的中高层大气受混浊大气影响较小,偏振信息稳定,且符合Rayleigh单次散射分布特征,可保证白天全时段导航的有效性;在无云大气下,可见光波段内长波段更适合作为偏振导航的观测波段。     

大气散射光偏振特性分析

介绍了在激光偏振成像研究中,激光在大气传输中的散射光偏振特性的基本表示方法,根据Rayleigh散射和Mie散射理论,通过传输Mueller矩阵求解,分别对大气分子散射和气溶胶散射的单次偏振特性建立理论模型,并通过数值计算模拟的方法研究大气分子和气溶胶对自然光、水平线偏振光和45°线偏振光的偏振特性影响,最后介绍了用矢量传输方程来解决大气散射光多次散射偏振问题.     

Research on a novel imaging bionic polarization navigation sensor for glimmer environment application

Polarization navigation system is a hotspot in the field of bionic navigation. Compared with point source polarized light navigation sensor, the polarization information acquisition method based on image sensor and imaging technology has better robustness, and it can obtain more polarization information. In this paper, an embedded imaging polarization sensor for glimmer environment application is designed and developed. The multi-channel video processing technology of TMS320DM642 is used to capture the polarization information of charge coupled device (CCD) camera with three channels. The images are processed by digital signal processer (DSP) in real time, and the angle of polarization (AOP) image is calculated simultaneously with an acquisition and calculation speed of 10 frame per second. Sensor can obtain absolute rotation angle, and the AOP image can be displayed on liquid crystal display (LCD). It provides an effective experimental platform for the research of imaging polarization mode navigation device based on embedded system.     

偏振光传感器在四旋翼飞行器中的应用

为了实现偏振光传感器在实际三维空间中的导航应用,设计了一种基于仿生偏振光导航传感器、微惯性测量单元（MIMU）与全球定位系统（GPS）的组合导航控制系统,并实际应用到了四旋翼导航控制之中.本文首先介绍了偏振光传感器的功能模型和测角原理.其次采用扩展卡尔曼滤波（EKF）技术设计了偏振光传感器、MIMU、GPS的信息融合算法,通过室外飞行试验对该导航系统的性能进行了测试,并与传统MIMU/GPS/电子罗盘导航系统进行了比较.结果显示：在有磁场干扰环境下,基于偏振光的导航控制系统平均位置精度较传统导航系统提高了50.4%.实验结果表明：该导航控制系统实时性好、精度较高、抗电磁干扰能力强,且误差不随时间累积,基本满足移动载体进行自主导航时的精度和可靠性要求.     

仿生偏振导航传感器实验模型的构建与标定

针对研制仿生导航微传感器的需要,设计并且搭建了偏振导航传感器实验模型。分析了仿生导航传感器工作的原理,构建了传感器模型实验平台和光学标定装置。利用光学标定装置对导航传感器进行了暗场标定、均匀非偏振光标定。进行了导航定位角度输出实验,获得了导航传感器三个偏振方向分析器标准化输出曲线。测试结果表明这种新型传感器的设计是合理有效的。     

基于虚拟仪器的仿生偏振光测试系统的研究

针对研制仿生微纳导航传感器的需要，设计了一种基于虚拟仪器的仿生偏振光测试系统。介绍了仿沙蚁偏振光测试模型及装置，给出测试系统的总体框架，对系统的硬件设计和基于Lab-VIEW的软件开发进行了探讨。最后采用测试系统进行了仿生偏振测角实验，实验结果达到了预期的目标。     

基于虚拟仪器的仿生偏振光测试系统的研究

针对研制仿生微纳导航传感器的需要,设计了一种基于虚拟仪器的仿生偏振光测试系统。介绍了仿沙蚁偏振光测试模型及装置,给出测试系统的总体框架,对系统的硬件设计和基于Lab-VIEW的软件开发进行了探讨。最后采用测试系统进行了仿生偏振测角实验,实验结果达到了预期的目标。     

一种图像校正的偏振光罗盘系统的研究

导航传感器在探险、应急、精确制导武器、船舶、航空器导航和定位系统中起着关键作用。针对偏振光罗盘在倾斜状态下误差较大的问题,提出了一种利用加速度计和陀螺仪对偏振光罗盘进行图像校正的方法,设计了一种基于陀螺仪校正的偏振光罗盘系统。首先利用加速度计和陀螺仪计算得到载体姿态角,对偏振光图像数据进行图像校正,采用Stokes矢量法解算大气偏振模式分布,进而提取导航特征点,最后对特征点进行拟合解算出航向角信息。并且进行了静态和动态测试实验,实验结果表明,该算法能够有效的对偏振光罗盘姿态变化引起的误差进行补偿,可以将偏振光罗盘的航向角测量误差控制在1.86°之内,平均误差为0.09°。     

仿生偏振导航传感器实验模型的构建与标定

针对研制仿生导航微传感器的需要，设计并且搭建了偏振导航传感器实验模型。分析了仿生导航传感器工作的原理，构建了传感器模型实验平台和光学标定装置。利用光学标定装置对导航传感器进行了暗场标定、均匀非偏振光标定。进行了导航定位角度输出实验，获得了导航传感器三个偏振方向分析器标准化输出曲线。测试结果表明这种新型传感器的设计是合理有效的。     

偏振光导航测角歧义性问题的解决方法

本文针对偏振光导航中传感器的仿沙蚁POL-neuron模型在获取航向角时存在的角度歧义性问题,根据大气偏振模式中偏振度分布不均匀的规律,提出了一种利用三个偏振通道和一个非偏振通道进行偏振光测角的PFAC模型,通过判断函数和不同天空区域偏振度的大小关系将POL-neuron模型的有效测角范围从[-45°,45°]扩展到[0°,360°].本文描述了PFAC模型的信号处理过程,进行了传感器实测数据的分析与处理,理论和实测结果表明该模型可以解决POL-neuron模型存在的测角歧义性,为偏振光导航传感器实现360°范围内的航向角获取提供了一种有效的解决方法.