基于Zynq处理器的成像式偏振导航传感器

偏振导航是一种受昆虫偏振视觉启发的仿生天文导航方法。使用纳米压印技术将金属纳米光栅阵列集成在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的感光区域,制作出模仿昆虫感知偏振光的偏振敏感器件。采用现场可编程门阵列(FPGA)与高级精简指令集机器(ARM)架构相异构的主控芯片Zynq实时处理偏振信息,制作了成像式偏振导航传感器。传感器在FPGA端实现了偏振图像的采集、解码以及解算的硬件加速,在ARM端移植Linux系统,实现多任务之间的协作和同步。可通过预留的串口输出航向角、网口输出图像,频率约为10 Hz。标定后传感器室内实验偏振角误差为±0.15°,从室外实验采集的大气偏振分布模式图中能清晰分辨出太阳子午线,经过补偿后航向角误差为±0.4°。

基于FPGA与CMOS图像传感器的集成式偏振导航传感器

偏振导航传感器以天空偏振光场为导航信息源,具有无源自主、实时性好、无误差累积等优点。以互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器作为光电转换器件,可以解决基于光电二极管的偏振导航传感器易受干扰的问题。基于集成了六方向金属纳米光栅的CMOS图像传感器,以现场可编程门阵列(FPGA)为处理核心设计了仿生偏振导航传感器。首先,阐述了偏振导航传感器的工作原理与传感器有效数据提取算法;其次,设计了传感器的软硬件系统,在FPGA上开发了偏振信息图像的采集模块、数据筛选模块以及数据处理模块,可以实时解算出偏振角,并通过串口输出;最后对传感器性能进行了实验验证。结果表明,该传感器可以实时输出偏振角度,且最大角度误差为0.1°。

偏振导航测试系统空间分辨率研究

针对目前偏振导航测试系统空间分辨率研究尚不完全的问题,基于瑞利散射理论,提出了一种偏振导航测试系统空间分辨率计算方法,搭建了天空偏振光空间分辨率仿真平台,仿真分析了半球区域测试系统空间分辨率分布情况。仿真结果表明:太阳直射点所在纬度线上,偏振导航测试系统纬度分辨率远小于经度分辨率,偏振导航测试系统受纬度波动影响较大;太阳直射点所在经度线上,经度分辨率远小于纬度分辨率,测试系统受经度波动影响较大。非直射点经纬度线,纬度值偏离直射点10°~20°纬度范围,经纬度分辨率值比较接近,测试系统受经纬度波动影响相差不大;纬度值偏离直射点30°~50°纬度范围,经度分辨率小于纬度分辨率,测试系统受经度波动大于受纬度波动影响;偏离直射点50°以上纬度范围,经度分辨率远小于纬度分辨率,测试系统受经度波动影响远大于受纬度波动影响。

偏振导航云计算支持系统与时空分布规律模型研究

采用云计算技术解决天空偏振模式图受环境影响导致的信息源误差以及载体自身测量产生的误差以提高仿生偏振导航的精度及实用性.基于仿生偏振导航单体测角误差,给出多导航单元误差分析的云计算支持系统;依据多导航单元云计算结构提供的信息,确定偏振模式图在不同信息源误差条件下的时空分辨率模型;利用云计算技术对确定时空区域内满足信号源误差范围的多单体测量误差进行分析研究,可以有效辅助偏振导航多单元系统进行高速运算,提高仿生偏振导航的精度及实用性.

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。

偏振导航传感器建模与误差分析

根据昆虫利用天空中偏振光导航的仿生原理,构建了偏振导航传感器的模型,分析了该模型测量原理,并对模型中影响测量精度的误差源进行了分析计算,结果表明偏振度、有效光强以及两偏振光轴间的相对角度误差会影响系统的测量精度和灵敏度。这一结论对偏振导航传感器的应用具有指导意义。

阵列式偏振导航传感器及其鲁棒性算法实现

当昆虫视野内存在部分遮挡时,能够依靠其复眼背部边缘区域中偏振敏感多小眼结构,感知天空偏振光信息进行导航。模仿该偏振敏感多小眼结构设计了阵列式偏振导航传感器。实际应用中,传感器视野内的随机遮挡、金属纳米光栅偏振器局部缺陷和尖锐噪声等造成各偏振方向内存在干扰像素影响偏振光强提取,基于线性灰度拉伸的Otsu阈值分割及3σ法则,提出了一种具有鲁棒性的偏振光强提取算法。首先,详述了传感器的偏振导航算法和传感器组成;然后,基于MFC对话框项目,开发了传感器的实时监控界面,实时显示偏振信息变化,数据更新率达10 Hz;最后,对传感器进行了测试实验。标定实验结果表明:该传感器性能稳定,定向精度±0.25°;在室外有无遮挡条件下的对比实验结果表明:该传感器能适应视野内的部分遮挡环境,具有较好的鲁棒性。

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。

仿生偏振导航光电测试系统的设计与实现

为了验证仿生偏振导航定向机理和进一步建立高精度偏振导航模型的需要,设计了探测天空偏振光方向信息的光电测试系统,能够测出载体当前方向和太阳子午线之间的夹角。分析了昆虫利用偏振光导航的机理,按照机理设计了相应的硬件系统;推导了偏振光传感器的响应模型,用偏振导航并发式模型对获取的数据进行了处理。实验结果表明了仿生偏振导航的可行性和光电测试系统设计的有效性,为偏振导航的深入研究奠定了基础。

一种基于天空光的新型成像式仿生偏振导航传感装置

模仿昆虫偏振导航机理,设计了成像式仿生偏振导航传感装置样机。研究了天空光偏振分布模型,分析了成像式仿生偏振导航传感装置工作原理。解决了一般探测装置解算偏振参数需要上位机辅助的问题,使用CMOS图像传感器和数字信号处理器,实时输出导航角度。进行了室内、室外装置性能测试,获得了3个方向偏振分量标准化强度曲线。实验结果表明：传感装置室内外角度测量误差分别为-0.8°~0.3°,-1.2°~1.4°,能够较高精度地输出导航角度,可以满足实时导航定位的需要。

三通道偏振导航传感器正交误差影响分析

根据三通道偏振导航传感器模型的测量原理,对模型中影响测量精度的偏振正交误差进行了分析和研究,推导出了三通道间偏振光轴的正交误差、定位初始角与定位角测量误差间的关系模型,对构建偏振导航定位系统具有重要的实际指导意义。

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。

基于联邦滤波的仿生偏振组合导航系统滤波器设计

该文针对野外地面导航系统受到环境未知、多源干扰的问题,设计具有环境适应能力与抗干扰能力的仿生偏振组合导航系统。首先引入仿生偏振导航技术,组成无重置型联邦滤波结构的仿生偏振/MIMU/GPS组合导航系统,建立各子系统的干扰模型;其次,为提高系统对于动态未知环境的适用性与抗干扰性,利用联邦滤波器优越的容错能力,设计系统针对几种组合模式的智能切换方案,有效检测并隔离GPS干扰子系统,实现可用系统的重构。

可用于天空偏振场导航的超分辨光学相机

天空偏振光场可以用于导航,但目前尚未出现一款可应用于实际的偏振导航系统,其原因之一是用于采集天空偏振光场的成像相机尚未有统一规格.本文设计了一款可以兼顾天空偏振场导航的超分辨成像的偏振光学相机.应用分焦平面偏振探测器实现快速偏振图像信息获取,采用快速移动平台与光学系统融合设计的方法满足对特殊高分辨率要求,给出了相机系统的设计结果,介绍了超分辨偏振相机的标定方法并实现了精准标定,获取了用于图像与探测器之间位移控制的精准电压曲线.应用该数据准确实现了对目标场景的偏振图像获取,同时高质量获取了天空偏振场分布数据.本文所给出的研究结果具有达到衍射极限的成像能力,光学相机具有小于50μm的场曲、小于0.7‰的畸变,同时又具有优于2倍及以上的超分辨成像能力,以高质量线偏振图像数据的获取为后续偏振精准导航和偏振特征测量提供原始数据基础.

大气偏振模式图分布及仿生偏振导航技术

大气偏振效应不仅可应用于高分辨率定量遥感,其偏振场模式图还可作为偏振导航的信息源。大气偏振场模式图在不同时空与天气条件下对偏振传感器的导航精度有重要影响,天空偏振场图的精确获取与建模、测量精度与误差分析是研究的重要内容。本文从大气偏振模式图的分布和偏振导航传感器两方面介绍仿生偏振导航技术的研究进展。首先介绍瑞利散射理论、米氏散射理论和基于矢量传输方程的偏振模式图光场分布理论,总结了不同方法的适用范围;其次分别介绍日光和月光、陆地和海洋等不同时间、空间环境以及不同天气条件下的偏振模式图分布测试结果,并对比分析了理论仿真与测试结果的异同,同时又介绍了基于云解算的偏振模式图精度测试误差分析;最后通过介绍偏振导航传感器装置的发展历史和研究成果,指出偏振导航应用于组合导航中的广阔前景。目前,本课题组已研制的偏振光导航传感器室内精度可达0.1°,验证了天空偏振光场模式图的客观有效性,为高分辨率偏振遥感技术提供了技术证明。

仿生偏振光导航传感器量测模型研究

仿生偏振导航传感器仿照昆虫利用天空偏振光进行导航的原理,测量载体的姿态和方位,具有精度高、功耗低等优势,是一种新型的导航传感器.根据偏振导航的原理分析偏振导航传感器的测量参考矢量和导航能力,根据其参考矢量的数量及性质,对偏振导航传感器使用在不同性质载体上的测量进行建模,并提出其对载体进行定姿的条件.

三通道偏振成像导航传感器的设计与应用

为了获得较高的偏振光航向精度,设计实现了一种三通道成像偏振导航传感器装置样机。研究了基于Stokes矢量的偏振光测量原理;并基于此原理搭建了传感器。编写了程序控制软件,可以实时输出航向角,解决了一般实验装置无法实时测量航向角的缺点。进行了室外装置测试实验,实验结果表明:传感器室外航向角测量平均误差为0.83°,能够稳定输出导航角度,可以满足实时测试的需要,为下一步组合导航提供稳定的信息源。

天空光偏振模式自动探测装置

为了获得较高的天空偏振光导航精度,研究了天空光偏振模式的模型。设计了天空光偏振模式自动探测装置,用于获取大量的天空光偏振模式信息并构建天空光偏振模式模型。该装置克服了传统天空偏振光分布模式探测仪器操作繁琐,效率低的缺点,利用计算机控制角度旋转和相机拍照协同工作,能够简单快捷地实现一键采集一组天空偏振图像。测试显示,该装置能够准确地在预期位置完成偏振图像的采集工作。获得的图像偏振模式明显,对于光强度的探测精度优于0.237 5(3σ)灰度值(8bits),平均每个测量点耗时3.02s,采集效率较传统偏振模式探测仪器大为提高,能够实现天空光偏振模式的有效探测。

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。

采用连续旋转检偏器的天空偏振光探测装置设计与实现

为了实现对运动目标与天空散射光的偏振分布模式进行快速、有效的探测,根据连续旋转检偏器光强度透射的数学模型,利用光电传感器的积分特性,设计并构建了采用连续旋转检偏器的偏振成像探测装置。测试结果表明,该装置对偏振光的角度的测量精度优于0.069°(3σ),偏振度的测量精度优于0.12%(3σ)。一幅偏振图像的探测时间达到0.7 s。在偏振度低于4%的情况下,仍可以探测到有规律的偏振分布模式,其抵抗恶劣天气的性能优于现有的偏振导航探测装置。