成像式仿生偏振导航装置的设计与开发

发布时间：2020-09-09 10:04

　　随着信息时代的到来,导航技术在生产生活以及军事应用等各方面扮演着越来越重要的角色。与惯性导航、卫星导航等技术相比,天文导航具有自主性强、隐蔽性好、无误差累积、可靠性高等优点。但是其结构复杂、造价昂贵、体积庞大,所以应用范围有限。现代生物学家通过实验发现,蜣螂、沙蚁等昆虫能够利用偏振视觉(对天空光偏振方向极其敏感的视觉组织、结构及其相关神经系统)感应天空光偏振分布,并通过大脑分析偏振方位来进行运动中的导航定位。这种利用天空光的仿生偏振导航方式受外界环境干扰更小,且误差不会随时间积累,拥有更广阔的发展前景。本文模仿昆虫偏振视觉结构,使用商用CMOS图像传感器和DSP数字信号处理芯片,结合微纳加工技术设计与开发了一种全新的成像式仿生偏振导航装置,它可以利用特定时间、地点天空光相对稳定的偏振分布,计算装置偏振零度参考线与子午线的夹角,输出航向角变化信息,具有更好的适应性和鲁棒性。本文内容主要有以下几个方面：首先,研究天空光偏振分布原理,分析成像式仿生偏振导航装置的工作方式,设计成像式仿生偏振导航装置的整体构架,搭建成像式仿生偏振导航装置的硬件系统。整个系统主要由长焦镜头、偏振片或金属光栅偏振器、图像传感器及数字信号处理器组成。其次,在初步完成成像式仿生偏振导航装置搭建的基础上,设计和编写成像式偏振导航装置内部嵌入式系统的工作程序,实现天空光偏振信息采集、图像数据提取、偏振方位角计算以及计算结果网络传输。然后,研究成像式仿生偏振导航算法,选择强度均匀的偏振图像区域提取象素值；引入图像滤波操作；针对微纳金属光栅偏振器,计算微纳光栅透射率比值；加入邻域补偿计算,解决过亮或过暗问题；使用六个偏振方向光强度,组成关于斯托克斯矢量的超限定方程组,求偏振方位角的最小二乘解,提高装置适应性和鲁棒性；模拟昆虫神经网络,定性测量光偏振信息。最后,室内、室外不同条件下对成像式仿生偏振导航装置的导航性能进行反复测试,室内精度-0.3-+0.5°,室外精度-1.0～+0.5°,验证成像式仿生偏振导航装置偏振导航的可行性,并根据测试表现不断修正工作程序中的相关参数,完善硬件和软件的设计方案。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN96
【部分图文】：

导航装置,成像,光敏感性,形态解剖学

文研宄的成像式仿生偏振导航装置，就是依据蝶螂复眼的形态解剖学、行为学宄成果，基于二次瑞利散射后天空光相对稳定的偏振分布，使用商用ＣＭＯＳ器和ＤＳＰ数字信号处理芯片，结合微纳加工技术设计与^u发的一种全新的导。它可以使用天空光相对稳定偏振分布，计算特定时间、地点装置零度偏振方向子午线的夹角，输出航向角变化信息等。逡逑较于传统导航定位系统，成像式仿生偏振导航装置外形可以更加小巧，重量可便，光敏感性可以更加优越、集成度可以更高，受外界环境干扰可以更小。而组前期研制的点源式仿生偏振导航装置相比丨成像式仿生偏振导航装置可以从集更加丰富的光偏振数据，可以工作于多种模式下，具有更加良好的鲁棒性和，可以更高精度地输出导航角度，在满足实时导航定位的前提下，可进行更加复期数据处理，为仿生偏振光导航装置的未来发展提供了一种新的解决方案。逡逑课题来源逡逑“成像式仿生偏振导航装置的设计与开发”属于偏振光导航装置设计与制作研究题来源于国家重点基础研究发展计划（９７３计划）“仿生光导航微纳器件的设计

旋转偏振,成像,偏振方位

加了光可获取的信息量。除了和传统成像方式一样可以获取光强信息外，它还可逡逑偏振度、偏振方位角等更多种类的光信息。早期的装置采用分时偏振成像（图逡逑在成像光路中加入偏振器起偏，结构简单在不同时刻获取同一景物的不同偏振态逡逑适用于静止目标的检测［２〗］。逡逑

生成图像,分振幅,孔径

时还有一种分孔径同时偏振成像（图１．４），景物光被孔径和偏振光栅阵列分成逡逑振光波，在一个图像传感器的焦平面上生成多幅单方向的偏振图像［２３】。虽然装置逡逑结构较为简单，但生成图像容易存在空间误差。逡逑—．．逡逑ｎｃｉｊｃｖｒＫｔ逦ＩＩ＾Ｂ＾ｂＳｈ＾Ｋ＾邋■［逡逑Ｉ邋：邋．逡逑、：曍酬逡逑＂Ｊ邋；：逡逑图１．４分孔径偏振成像装置逡逑Ｆｉｇ．邋］邋．４邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｐｅｒｔｕｒｅ邋ｐｏｌａｒｉｚｅｄ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ｄｅｖｉｃｅ逡逑时也出现了一种基于光谱通道调制的同时偏振成像（图１．５），它采用类似频分逡逑法，利用偏振器件同时产生多个不同频率的正弦载波，将入射光的各斯托克斯逡逑调制到不同频率的载波上，再用计算机数据处理的方法对采集到的调制光谱进逡逑

【参考文献】