仿生偏振视觉定位定向机理与实验

为了有效利用全天域的偏振光信息,探究仿生偏振光导航机理,设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法,推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式,将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题,推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后,设计了静态实验与转动实验,对理论分析结果进行了验证。实验结果显示:测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致,并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°,误差标准差为0.14°;基于1h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6km。转动实验(转动两周)得到的最大定向误差约为0.5°,误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理,为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。     

基于大气偏振模式的三维姿态信息获取

现有的偏振光导航方法提供的二维方向信息不能满足导航的实际需求,因此,本文提出了一种利用大气偏振模式获取三维姿态信息的方法,选取太阳作为空间显著特征点,利用大气偏振模式信息计算出载体在两次不同状态下的太阳空间位置信息,通过建立姿态变换矩阵获得了载体的三维姿态信息。最后,对不同天气条件、不同太阳空间位置、不同波段以及天空被部分遮挡情况下太阳空间位置计算的误差分布情况进行了仿真分析和实际测量。实验结果显示,当天空有气溶胶粒子分布时,蓝色波段下的计算误差最小,方位角和高度角的误差分别为1.50°和2.10°;当观测视场中有树木遮挡时,方位角和高度角的平均误差分别为0.91°和1.97°,由此表明本文方法能够有效提取太阳的空间位置,获得载体的三维姿态信息,并满足实际导航的需求。     

偏振导航传感器测角误差分析与补偿

借鉴沙漠蚂蚁等昆虫利用天空偏振模式进行导航的方法,设计了偏振传感器来获取导航系统的航向角。为提高偏振传感器的测角精度,研究了影响偏振传感器测角精度的误差因素与补偿方法。讨论了如何利用偏振传感器从天空偏振模式中提取偏振方位角信息的方法,分析了影响偏振测角精度的主要误差因素,建立了偏振传感器的测角误差模型。根据测角误差模型,推导了偏振方位角的解算方法,并利用最小二乘算法,通过估算模型的误差参数值间接补偿测角误差。最后,采用提出的误差补偿算法在晴朗天气下进行了实验测试。测试结果表明：误差补偿后测角精度得到明显提高,约为0.17°（3σ）。实验结果验证了提出的误差补偿算法可以实现对角度误差的有效补偿。     

利用大气偏振模式“∞”字形特征获取太阳位置的方法研究

针对仿生偏振光导航研究中如何利用大气偏振模式获取太阳位置信息的问题,提出了一种基于遗传算法(GA)和梯度下降(GD)算法相结合的混合遗传算法(GA-GD)的大气偏振模式求解太阳位置的方法。在对大气偏振模式"∞"字形特征建模的基础上,建立了求解太阳位置最小目标函数模型,将太阳位置的求解问题转化为最优化问题。首先,利用GA算法全局搜索太阳位置的解空间,得到近似全局最优解,再结合梯度下降算法,在近似解附近进行局部寻优,最终得到太阳位置的全局最优解。在晴朗天气下的实测实验结果表明,经过GA算法后,太阳位置误差达到1°量级,再经过GD算法后,误差进一步减小至0.1°量级,显著提高了太阳位置信息的获取精度。     

基于偏振光传感器的移动机器人导航实验

根据沙蚁Cataglyphis的导航机理研制了一种检测天空偏振光的导航传感器.为测试传感器室外导航性能,设计了采用传感器输出的航向角控制移动机器人按特定轨迹运动的实验.首先,介绍传感器的结构原理及功能模型,为提高传感器精度,在室内用光学积分球模拟天空偏振光源,用精密转台对传感器输出角度进行补偿,补偿后传感器误差在士0....     

基于偏振成像的方位测量误差建模与分析

为了提升偏振成像定向传感器的测角精度,建立了基于斯托克斯矢量的偏振方位测量误差传播模型。对该模型受到的主点偏移、镜头畸变、CMOS平面倾斜等误差因素进行研究。根据斯托克斯矢量偏振测量原理推导出天空偏振方位角解算方法。将主点偏移、镜头畸变、CMOS平面倾斜、灰度响应不一致等因素对方位测量的影响进行讨论,利用蒙特卡洛方法进行偏振成像方位测量误差分析,通过仿真和天空偏振成像实验分析所建模型的正确性。实验结果表明:CMOS灰度响应不一致对方位测量误差的影响最大,当灰度响应不一致在(-6,+6)pixel时,测量误差在0.11°内,角度均值整体有0.12°偏移;在主点偏移(-1.5,+1.5)pixel,镜头畸变(-1,+1)pixel,CMOS平面倾斜(-0.5°,+0.5°),CMOS灰度响应不一致(-6,+6)pixel的共同影响下,太阳子午线的方位测量误差为0.236 3°(σ)。该误差传播模型能够反映误差源定量影响方位测量精度,为偏振成像定向传感器的优化设计提供依据和参考。     

电子磁罗盘航向角误差推导及分析

在不考虑罗差影响的前提下,针对产生磁罗盘航向角误差的因素以及各因素的影响程度进行了计算及分析.首先介绍了磁罗盘的工作原理,在此基础上推导了磁航向角误差的计算式,该式表明磁航向角误差与当地磁倾角、载体俯仰角、载体航向角、水平姿态误差有关.基于该式对一般环境下磁航向角误差的仿真结果表明:当磁倾角为45°、水平姿态误差均不超过±0.5°时,磁航向角误差不超过±1°.进一步分别对各误差因素的影响进行了仿真分析,结果表明在高纬度地区或载体具有运动加速度时使用磁罗盘容易造成较大的磁航向角误差.车载实验结果验证了所推导公式的有效性.     

多方向金属光栅偏振器及在偏振导航中的应用

在同一聚碳酸酯基底上制作了6个不同方向的双层金属光栅偏振器,用于消除分立器件带来的安装误差。将该偏振器应用于偏振导航传感器上并进行了测角精度测试,基于神经网络法研究了角度测量的误差补偿方法。首先,基于严格耦合波理论设计了一种亚波长双层金属光栅偏振器,分析了它的周期和金属厚度对偏振器性能的影响,其在510nm波长入射时TM偏振光透射率高于71%,消光比大于2 100。应用纳米压印技术在聚碳酸酯基底上加工制作了设计的偏振器,其基底上设有6块结构参数相同但朝向不同的双层金属光栅结构。将此偏振器安装在偏振导航传感器上并在测试平台上测试了测角精度,测试的原始误差在±1°以内;经BP神经网络法误差补偿后,测角误差在±0.2°以内。得到的结果可较好地满足偏振导航的要求。     

航空多角度偏振辐射计的偏振定标

研究了航空多角度偏振辐射计的辐射定标方法,以消除其自身引入的偏振效应,提高偏振辐射计的测量精度.首先,根据引入仪器偏振效应的主要因素推导了含定标系数的仪器探测方程,由仪器在0°和90°两个状态下对同一信号的探测方程求解了定标系数表达式,并设计了仪器分别处于两个状态下获取信号、求解定标系数的定标方法.最后,分别针对非偏振光源和完全线偏振光源的测试数据求解了所有的定标系数,使用可调偏振度光源验证了偏振定标结果.结果显示,该仪器偏振测量精度不低于o.5％,满足仪器精度指标要求.     

桥式起重机运行环境三维建图偏振光降噪研究

在桥式起重机运行环境双目视觉三维建图任务中,为减少因反光耀斑所造成的建图误差,文中对双目相机采集的图像使用偏振滤镜对偏振光进行过滤,使用搭建的实验台进行了实验,比较了偏振滤镜对三维地图精度的影响。结果表明:偏振滤镜可以有效过滤物体表面反光,减小建图误差,提高建图结果的鲁棒性。     

Polarized light microscopy of weakly birefringent biological specimens

A simple, but little known technique for producing marked colour contrast in images of weakly birefringent biological samples obtained with a polarized light microscope is investigated. The technique involves inserting a full wave plate at a small angle of horizontal rotation with respect to the analyser or polarizer, rather than at the conventional angle of 45° commonly employed in the field of mineralogy for examining strongly birefringent specimens. Inserting the full wave plate at a small angle (typically less than 10°) enhances the contrast between regions of tissue having different optical path differences and, in particular, different orientations of optic axes; improving the detection of structures of interest with the polarized light microscope.     

快速空间测角系统中偏振棱镜消光比的影响

为了在一定平移范围内实现快速空间测角系统的测量功能,对一定入射及方位角的光束经过Glan-Taylor棱镜后导致的非均匀分布的消光比参数引起的系统测角误差进行了研究。首先,建立系统坐标系模型,采用光线追迹法及偏振光的琼斯矩阵描述方式,对格兰-泰勒棱镜消光比参数引起的测角误差进行了理论推导;接着,结合一定入射及方位角下非均匀分布的消光比参数,运用Matlab软件进行了仿真分析。最后,通过搭建实验平台,利用平移接收单元来模拟不同的入射方位及角度变化;根据实验值与仿真结果的对比分析,得出非均匀分布的消光比对测角精度的影响。结果表明,在一定的出射光范围内,入射角是影响消光比非均匀分布进而影响系统测角精度的主要因素,当方位角为90°时,系统测角误差较小;全方位角范围内系统测角误差随入射角的增大而显著增大,由此验证了理论分析的正确性。该研究成果对优化测角系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义。     

旋转导向钻井工具近垂直姿态校正矩阵 误差的等角距均衡校正

旋转导向钻井工具中姿态校正方法的校正点本身包含各种系统误差,会引入校正矩阵误差,是近垂直姿态下姿态角解算精度低的原因之一.平均均衡校正方法(ABC)可补偿校正矩阵误差,但整体误差并不均匀.以等分角度间距设计校正点,建立一种等角距均衡校正(EABC)模型,推导校正矩阵误差表达式,研究其引起的姿态角误差特征.对多组近垂直姿态的测试数据分别进行传统校正、平均均衡校正和等角距均衡校正,结果表明：等角距均衡校正后,井斜角误差平均值均小于0.012°,井斜角误差峰峰值均小于0.027°;工具面角误差平均值均小于0.008°,工具面角误差的峰峰值和标准差分别降低到平均均衡校正的54%～95%和40%～63%,进一步提高垂直小井斜井段的姿态解算整体精度。     

水平式光电望远镜目标定位误差的预测

为了确定水平式光电望远镜的各主要误差对观测精度的影响,提高望远镜的指向精度,对它的目标定位误差进行了分析。针对水平式望远镜的结构特点,通过分析从被测目标到望远镜相面产生目标定位误差的光、机、电等各种误差因素,建立了水平式望远镜目标定位测量方程。应用蒙特卡罗法进行误差仿真,预测出水平式望远镜的目标定位误差,并对各误差的敏感性进行了分析。选取敏感性高的误差项建立误差补偿模型,对实拍星体误差进行补偿实验,结果表明:补偿后经轴转角误差标准差从66.4″降低到3.3″,下降了95%;纬轴转角误差标准差从49.4″降低到5.6″,下降了89%。所用方法和模型能够对主要误差进行分析和预测,可为水平式光电望远镜的总体设计提供参考。     

An attitude sensing device

A device for sensing the attitude of an arbitrarily located object has been developed by the Polar Geophysical Institute, Kola Research Center, Russian Academy of Sciences, for carrying out geophysical research. The device is capable of determining three angular coordinates of an object: the angles of roll and pitch with respect to the Earth’s horizontal plane and the azimuth angle with respect to the direction toward the magnetic north. The measurement range of the azimuth is from −180° to 180° with an error of ≤1°. The angles of roll and pitch can be measured in the range from −60° to 60° with an error of ≤0.5°. The device is reliable and easy to operate.     

激光外差干涉的非线性误差补偿

为了补偿用激光外差干涉法进行纳米测量产生的非线性误差,进行了非线性误差补偿的实验研究。根据镀膜实体角锥棱镜反射光的偏振特性,推导出当激光器出射光束存在偏振椭圆化时,测量角锥棱镜以运动方向为轴线的轴向旋转对非线性误差一次谐波的影响模型。分析表明,测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转会减小非线性误差一次谐波。实验显示,当测量角锥棱镜轴向旋转角从0°增加到100°时,非线性误差从3.48 nm减小到1.39 nm,实现了非线性误差一次谐波减小为原来的40%。该方法避免了现有的非线性误差补偿方法光路系统和电路系统复杂的缺点,系统实现很简单。     

Stereological analysis of the layered collagen of human intracranial aneurysms

Intracranial saccular aneurysms are balloon-like distensions of the arterial wall; they increase in size gradually, a few to the point of bleeding or catastrophic rupture. Collagen is the primary structural component of the aneurysmal wall, and because only a small fraction of aneurysms fail, the collagen fabric must effectively reorganize in order to maintain mechanical integrity as an aneurysm changes size. Data were obtained from four human aneurysms, fixed at 110 mmHg of distending pressure with 10% buffered formalin, and sectioned completely through at 4 μm thickness. Each set of measurements included groups of data taken layer by layer from a radial corridor across the aneurysm wall. Each three-dimensional orientation measurement, for which we used a Zeiss polarizing microscope with a universal stage attachment, is defined by an azimuth and elevation angle relative to the section plane. We compared the interdependence of these measured angles with a mathematical model based on fibres following great circle trajectories, and related the measured azimuth and elevation angles to the relative depth of the section into the aneurysm. Data were plotted on Lambert equal-area projections, along with the theoretical relation between azimuth and elevation, that included wall thickness and depth of sectioning. The graphical relationship between measured azimuth and elevation for collagen fibres across the layered fabric of the aneurysmal wall is consistent with the theoretical great circle trajectories for collagen fibre alignment. Analysis was based on statistics for spherical data to give values for the mean orientation and the circular standard deviations (CSD) about that mean. The results indicate that any given region on the aneurysm wall is made up of many, very thin sublayers, most of which have a relatively coherent organization (mean CSD 8°). These measurements agree well with the mathematical model and, when considered collectively, the layers provide a balanced distribution for bearing the biaxial tensile stress of the wall.     

光栅复制拼接光路中入射光角度对拼接误差的影响

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题,分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型,分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求,设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500mm×500mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。结果显示:入射光角度误差为1°,拼接光路中绕x轴,y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1μrad,0.003 3μrad和0.348 2nm时,引起波前差为2.590 1nm。根据这一计算结果,给出了干涉仪角度调节装置的设计指标,即设置角度调节分度为0.1°时,可满足大尺寸光栅复制拼接要求。