仿生偏振光罗盘太阳位置检测方法

针对偏振光导航对天空中特征点精确位置信息的需求,提出一种基于全天域偏振模式成像系统对太阳位置进行精确检测的方法。与传统的基于光斑的太阳位置检测方法相比,该方法利用大气中固有的偏振信息完成对太阳位置的精确测量,具有检测方法简单、精度高且适用范围广等特点。搭建的光学采集系统由三个微小型的大视场摄像头模组和偏振片构成,使得结构更加紧凑,体积更小,高度更低。从原理出发,仿真分析太阳位置求解算法,采用搭建的光学采集系统对本算法在3种天气(晴天、遮挡、气溶胶)环境下进行验证。结果显示:当天气晴朗时,在同一天不同时刻,测量的太阳高度角和方位角的精度分别为0.024°和0.03°;当太阳被高层建筑物遮挡时,太阳的高度角和方位角的测量精度分别为0.08°和0.05°;当太阳被树木的枝叶遮挡时,太阳的高度角和方位角的测量精度分别为0.3°和0.1°。研究发现当气溶胶的浓度超过一定量时就会破坏偏振光的Rayleigh分布模式,进而会影响太阳位置的检测精度。实验结果表明,这种新型的检测方法不仅能够满足偏振光导航对太阳位置精确信息的需求,还能为喜欢探索宇宙奥秘的爱好者提供一种新的探索思路。

利用大气偏振模式确定太阳和太阳子午线空间位置法

为了满足偏振光导航中对天空特征点位置信息的需求,提出一种基于Rayleigh大气偏振模式的太阳和太阳子午线空间位置的计算方法.首先分别利用瑞利单次散射理论和偏振分析仪重建了理论和实测大气偏振模式,再根据大气偏振分布模式的特点,对所采集的偏振度数据和E-矢量数据进行聚类分析,利用偏振度数据确定太阳位置,E-矢量数据确定太阳子午线位置,将求取太阳和太阳子午线空间位置的问题转化为确定相应类中心的问题.最后对所提方法分别就大气偏振的理论模式和实测模式进行实验分析,与最小二乘法利用偏振数据反推太阳位置法相比,该方法有效地利用了偏振模式整体分布的稳定性特点,可以通过采集大范围偏振信息获取较准确的空间显著特征点位置,得到较好的实测数据处理结果.

基于三通道全天域偏振成像系统太阳位置检测方法

为了满足偏振光天文导航定位对高精度太阳空间位置信息的需求,提出了一种新型的基于大气偏振模式的三通道偏振成像系统检测太阳位置的方法。该方法是利用大气偏振模式的偏振信息去解算太阳位置。与常见的基于光斑检测的方式比较,该检测方法是利用大气偏振光属性计算太阳位置,是一种间接计算方法,该检测方法具有视场大、检测精度高等特点。光学采集系统由工业CMOS镜头、偏振片和鱼眼镜头构成。从原理出发,搭建了实验平台验证本方法。实验表明:检测装置的测量精度为0.02°,不仅能够满足检测需求,也为太阳位置检测领域提供了一种新的解决思路。

利用大气偏振模式确定姿态参数的方法

为了满足无人飞行器自主导航对姿态参数提取的需求,提出一种利用大气偏振模式稳定性分布的特征提取飞行器俯仰角和滚转角的方法.从刻画大气光学传输特性的Rayleigh散射理论出发,建立了天空偏振光分布的理论和实测两种模式.利用优化算法,从偏振信息中提取出导航用的天空特征点——太阳空间位置,并利用太阳和天顶固定的时空关系,获取天顶点位置信息.利用天顶点坐标建立姿态变换矩阵,解算俯仰角和滚转角大小.通过模拟飞行器控制台,利用理论和实测两种偏振模式数据分析验证,解算的俯仰角均方根误差分别为0.002°和0.0031°,滚转角均方根误差分别为0.0236°和0.0227°.该偏振方法获取姿态参数时计算简单,解算精确度高.

大气偏振度与PM_(2.5)粒子浓度特性

为了满足偏振光导航在雾霾天的应用需求。研究雾霾天对于偏振信息检测的影响及其规律,对降低自然扰动对偏振光导航系统的误差、优化系统具有重要的意义。采用全天域偏振成像法对雾霾天的偏振信息进行大量的实验采集;并通过国家气象中心查询大气PM_(2.5)粒子浓度,对两者的关系进行理论与实验分析。结果表明,PM_(2.5)浓度与大气偏振度的关系随着PM_(2.5)粒子浓度的升高而降低,两者呈类指数关系。通过基于米氏散射理论对单粒子多次散射进行分析,结合大气的特殊情况,在将PM_(2.5)粒子近似为球形结构进行通过米氏散射进行理论分析,分析结果与实验结果基本一致。通过对误差进行残差分析和残差平方和分析,误差主要来源于大气复杂情况的干扰以及本实验所用探测器CMOS传感器的线性范围。通过大量的实验所研究的特性曲线,可以反映特殊天气下偏振信息的基本特征,对以后在特殊天气情况下的基于偏振光导航设计具有重要的意义。

基于偏振光航姿测量系统的研究

提出一种利用大气偏振模式稳定性分布的特征提取飞行器俯仰角和滚转角的方法。从刻画大气光学传输特性的Rayleigh散射理论出发,建立了天空偏振光分布的理论和实测两种模式。利用优化算法,从偏振信息中提取导航用天空特征点-太阳空间位置,利用太阳和天顶固定的时空关系,获取天顶点位置信息。利用天顶点坐标建立姿态变换矩阵,解算俯仰角和滚转角大小。通过模拟飞行器控制台实测两种偏振模式数据验证了方法的有效性。