基于非局部信息的大气偏振模式生成方法

大气偏振模式作为一种稳定的自然属性,因其包含具有方向信息的∞字形特征和子午线特征,在导航、探测等领域具有广泛地应用。针对实际天气条件下,大气偏振信息获取方式受限于动态云层的干扰,导致大气偏振模式的分布规律遭到破坏和部分信息缺失的问题,提出一种基于非局部信息的大气偏振模式生成方法,并设计了一种非局部信息修复模块进行两个阶段的修复,第一阶段通过挖掘不同区域的大气偏振模式空间分布的关联性和全局性,实现对缺失区域空间维度上偏振信息的修复;第二阶段利用大气偏振信息在不同时刻的特征映射关系和分布连续性,实现对云层干扰区域时间维度上特征信息的修复。在Temporal Polarization 1072偏振数据集上的实验结果定性和定量的表明,该方法能够有效地去除大气偏振模式中的云层干扰噪声,修复缺失区域的偏振信息,同时生成的结果具有更高的结构一致性和语义一致性。

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。

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Rayleigh大气偏振模式的太阳空间位置优化计算

为了满足偏振光导航对空间特征点空间位置信息的需求,提出一种基于Rayleigh大气偏振分布模式的太阳空间位置计算方法.首先,从大气光学的Rayleigh散射理论出发,建立了天空中偏振光的分布模型.然后将由大气偏振模式中的有限的采样点信息确定太阳空间位置的问题转化为非线性最小二乘优化问题,采用Gauss-Newton法简化算法结构,结合对初值的全局搜索以获取精确的太阳空间位置.仿真实验表明,在本文设定的采样方式下,不同时间、不同地点下利用偏振度信息求解,太阳高度角误差均小于10-5度,方位角误差小于10-6度;偏振角度求解时,太阳高度角和方位角求解误差均小于10-6度;并且在不同的采样方式下均保持了良好的优化准确度.实验证实该算法准确度高,对各种采样方式适应性好,可以有效地由偏振模式信息处理得到太阳空间位置.

全天域大气偏振模式的实时测量系统

为了研究大气偏振模式的实际变化规律,在分析了偏振测量装置发展现状的基础上,设计了全天域大气偏振模式实时测量系统,实现了单个主光路下,三路通道不同偏振方向的同时成像。通过光路仿真,优化并搭建了硬件装置,开展了误差分析和标定实验,提高了偏振测量精度,其中,系统线偏振度测量误差小于1.6%,偏振角测量误差小于±0.32°。在此基础上,开展了外场实验,结果表明,在晴朗少云的气象条件下,不同波段下的大气偏振模式分布与Rayleigh模型的差异值,也有着显著区别,其中,520 nm下的分布与Rayleigh模型最接近。

仿生复眼光学偏振传感器及其大气偏振E矢量检测应用

大气光学偏振模式中包含了丰富的方向和位置信息,通过有效提取和利用大气偏振模式信息,可以实现一种全新概念的自主导航定位方式。E-矢量是其偏振信息中最为关键和最为稳定的参数,仿照昆虫的导航偏振敏感机理,设计了一种仿生复眼光学偏振传感器;根据昆虫的POL-神经元的信号处理方式,推导出传感器输出信号数学处理方法;对传感器进行了测试实验并在不同天气下对大气偏振模式中E-矢量方向进行检测。通过对晴朗无云的天气大气偏振模式进行检测,偏振E-矢量平均误差为0.467 52°。对大气E-矢量的检测表明仿生复眼光学偏振传感器能够实现对大气偏振模式的准确检测,为偏振光导航这一自主导航系统发展奠定了基础。

利用全天域大气偏振检测的航向角解算

针对偏振光导航航向获取需求,提出一种以全天域大气偏振模式作为信息来源实现载体航向解算的新方法。该方法利用"沿着太阳子午线方向的E矢量垂直于太阳子午线"这一偏振特性实现太阳子午线特征点提取,采用最小二乘法确定太阳子午线在载体坐标系下的方位角;并利用"太阳子午线附近的偏振度小于逆太阳子午线附近的偏振度"的特性,解决航向获取角度歧义性的问题;结合太阳在地理坐标系下的方位计算航向信息。实验表明,在设定的全天域偏振信息采样方式下,该方法在不同时刻、不同航向、不同采样点数下的航向获取精度为0.05°内;在偏振角测量误差8°以内,平均误差仍在0.2°内;证明了该方法解算精度高,适应性好,可以有效解算航向信息。

基于电矢量描述的大气偏振建模

现有理想情况下大气偏振建模回避了对散射过程的描述,无法扩展到实际模型.本文采用电场强度矢量描述光波,建立天球坐标系与东北天坐标系研究光的多点单次散射过程.利用两坐标系之间的转换关系计算参数,将单次瑞利散射分析方法应用于全天域.计算散射光电场强度矢量并处理,得到偏振度和偏振方向矢量来表征大气偏振信息.仿真实验表明该方法能够准确描述理想情况下大气偏振模式,且所得电矢量可以作为实际建模的参考数据,方法具有一定的扩展性和应用价值.

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,本文针对仿生导航技术中的航向获取问题,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。文章在大气偏振模式分布具有对称性及稳定性基础上,对大气偏振模式图像进行对称性检测,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重要研究内容,对基于自然特性的导航方法研究,具有重要的指导意义。

基于复球面映射的大气偏振模式表征与分析

为了解决理论大气偏振模式二维表征中存在的畸变问题,使理论模型与实测结果之间的对比准确可靠,提出一种基于复球面映射的表征方法。首先根据复球面映射,建立球面与平面之间的投影关系;在此基础上,实现三维理论模型的无畸变二维表征;最后,利用偏振成像系统检测结果与复球面映射理论模型在映射关系上的一致性,对比分析大气偏振模式变化规律。实验结果表明,复球面映射能够实现理论大气偏振模式的无畸变表征,提高理论模型研究分析的准确度。

大气偏振模式特征及其在自主导航中的应用

针对复杂变化的大气环境,如何实现大气偏振模式的建模与时空变化规律的精确表征,是大气偏振模式相关研究的难点和热点。针对大气偏振模式在偏振光自主导航领域中的应用,通过分析大气偏振模式宏观变化规律,甄选可以作为导航参照的显著特征,详细介绍了大气偏振模式"∞"字形特征的建模方法,阐明了"∞"字形特征为偏振光导航提供航向信息的可行性,为偏振光导航信息的获取提供了一种切实可行的方法。

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.

基于瑞利散射的大气偏振模式检测与模型重建

针对全天域大气偏振模式导航信息高精度获取需求,搭建了一种基于偏振分析仪、水平转台、高度调节台等模块的大气偏振模式检测系统,实现了全天域大气偏振模式扫描检测;利用Matlab软件对实测数据进行了数据处理分析,结合瑞利散射模型实现了大气偏振二维、三维模式重建.实验结果表明,偏振角测量误差小于0.5°的实测偏振信息为92%,偏振度测量误差小于0.5的实测偏振信息为87%,与理论瑞利散射模型基本一致,实测大气偏振模式信息准确可靠,可为后续开展偏振光导航应用与算法研究奠定基础.

太阳高度角对大气偏振模式航向解算误差影响分析

太阳子午线是大气偏振模式中重要的特征,可以将其作为导航的参考基准,从而获取其中所蕴含的重要导航信息;因此通过检测大气偏振模式中太阳子午线的位置,可以得到运动载体的二维航向信息。仿真实验结果表明,在不同太阳高度角时,太阳子午线的提取精度和航向解算精度都会受到影响。太阳高度角小于30°时,航向角误差维持在0.02°以内,在解算时可忽略;当太阳高度角在30°～60°时,航向角误差从0.02°开始缓慢增大为0.05°;当太阳高度角大于60°时,航向角误差急剧增大,最大可达0.1°以上;而当太阳高度角达到90°时,则完全不能进行航向测量。经过理论分析得出,当太阳高度角增大时,太阳子午线附近特征点分布区域会发散,在利用最小二乘法进行拟合时造成了误差。依据该分析可以在今后的航向解算时进行相应的误差补偿、优化算法以提高航向解算精度。

微观瑞利散射下的大气偏振建模仿真

针对传统宏观大气偏振建模的信息单一性和表征模糊性问题,采用一种新的大气偏振建模算法。该方法依据瑞利散射理论,采用电场矢量描述光波,研究微观粒子对自然光电场矢量振动方向变化,得到散射光的偏振强度和偏振主方向。建立东北天坐标系,推导与天球坐标系间的转换过程,将单粒子瑞利散射扩展至全天域多点散射,形成大气偏振模式。仿真结果表明,新方法可以准确计算不同时刻不同地点的大气偏振分布信息,与传统方法中所获得的偏振角相比,本方法可以提供更丰富的三维方向信息,并具有良好的拓展特性,用于多因素大气偏振建模。

基于瑞利散射的大气偏振模式Stokes矢量建模仿真

瑞利散射模型是一种经典的大气偏振模式表征模型,在实际中得到了广泛的应用,但不能通过Stokes矢量描述大气偏振模式的分布特性。基于瑞利单次散射原理,对经典的瑞利模型进行推广,建立一种理想条件下的大气偏振模式Stokes矢量仿真模型。该模型能够对理想条件下大气偏振模式Stokes矢量的分布变化进行建模仿真,利用Stokes矢量可以完备地表征大气光偏振态分布情况,并描述出不同类型偏振光的具体分布特性。通过仿真发现,大气偏振模式的Stokes矢量具有"十"字形的分布形态,整体分布始终保持相对于太阳子午线对称特性,随着太阳高度角的升高各矢量分量逐渐减弱。

一种二维扫描式大气偏振信息采集系统设计

大气偏振信息的有效获取是实现大气偏振信息应用的前提。文章介绍了一种基于C8051F320单片机的嵌入式数据采集与控制系统,实现了通用嵌入式多路模拟数据的采集、处理、存储与显示,检测结果表明,该系统运行稳定、操作方便,各项指标均达到了实际检测的总体要求。

基于MCML的大气偏振特性仿真与分析

太阳光通过大气层时会与大气粒子间发生相互作用从而产生偏振光,天空中各种不同属性的偏振光叠加,便形成了包含大气信息参数在内的各种信息的大气偏振模式分布。文章研究了太阳光散射形成的大气偏振特性,分析了基于蒙特卡洛理论的仿真方法,在实现大气偏振模式仿真的基础上,将实际检测结果与理论仿真模型进行对比分析,验证了该方法的正确性。

大气偏振中性点的便携式测量

为了避免常用的天空光偏振模式测量仪器中鱼眼镜头所引起的图像边缘区域扭曲的缺点,采用手机相机和线性偏振片相结合的方法,进行了理论分析和实际验证,得到了大气偏振模式的分布情况和中性点位置的数据。结果表明,实际测量的中性点区域与理论仿真的结果间高度角的偏差为2.4°±2.6°,方位角的偏差为1.4°±0.8°,证明了测量方法的可行性;随着天空中云层的增加,天空光偏振分布图像会发生扭曲,但仍然可以确定中性点位置,为天空光偏振仿生导航提供了参考。该研究可用来确定太阳位置、实现自身定向及导航定位,并且具有易操作、便携等优点,在一定程度上降低了天空光偏振仿生导航的成本,提高了民用价值。