微阵列式光罗盘误差建模与补偿
发布时间：2021-06-15 17:52
本文以微阵列式光罗盘为研究对象,重点从微阵列式纳米光栅参数设计,到偏振片加工工艺误差,再到仿生偏振光定向算法误差这几个层次进行误差链分析与建模,并开展了实验测试与验证。主要研究内容包括以下几个方面:（1）基于马吕斯定律推导了微阵列式光罗盘原理样机的偏振测量方程,推导了基于最小二乘估计的偏振态解算方法,并且利用偏振光传感器对天空和地面目标分别进行测量,解算偏振态图像,验证偏振态解算方程的正确性;介绍了基于最优估计的太阳方向矢量计算方法,进行航向解算,结果表明在晴朗天气条件下可以得到较精确的航向信息。（2）对微阵列式光罗盘参数设计以及加工误差进行分析和建模,利用光学仿真软件对阵列式光栅的设计参数进行仿真分析,综合分析线栅周期、占空比、宽度、深度以及隔离层厚度对光栅参数性能的影响;推导了对CCD感光性能线性误差以及CCD芯片与微阵列式光栅的安装误差角的标定方法,在积分球标准光源下对偏振光传感器进行了性能测试,得到了有实际应用参考价值的结论。（3）提出了一种基于偏振光图像利用加权平均的方法进行航向角解算方法,以此为基础,推导了偏振测量误差、太阳位置误差等对定向精度的影响情况,进行了仿真分析;在...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
POL神经元模型
国防科技大学研究生院硕士学位论文第18页现较为稳定，从而进一步说明了在多云条件下也可利用天空偏振模式进行定向，只是需要进行进一步可用信息的提取工作。2.3.2.2地面场景偏振图像由偏振的成因可知，在目标物体反射自然光，会引发偏振现象，使得反射光中含有偏振信息，可以对其进行分析，进行目标识别，去雾等处理。为了验证偏振光罗盘时候能满足类似的功能，也进行了实际拍摄，分析实验数据。以典型车辆场景为例进行说明：（a）原始图像（b）恢复光强信息的图像（c）偏振度图像（d）偏振角图像图2.7实际场景的偏振信息本次实验采集了35组实验数据，每组数据有5张图片，分别对其进行偏振态解算。图2.7（a）为实验采集到的原始图像，图像中包括亮度信息以及偏振信息，每四个偏振测量像素点即可计算出一个偏振测量单元对应的偏振态信息，详细的计算方法在2.3.1小节有说明。对于原始图像每四个像素点的光强信息恢复出原始场景的光强信息，利用公式22221234IIIII，原始光强信息如图2.7（b）所示，可见图像中目标物体的对比度有所提高，但是由于分辨率减半，图像显得模糊不清。
国防科技大学研究生院硕士学位论文第27页在衡量相机的线性参数标定结果时，若线性相关系数j越接近于1，则表明线性度越强，标定结果越准确。由于每个相机含有多个像素点，可采用像素点百分比的指标衡量整体的标定结果，此方法可实现高精度线性参数标定。标定结果如图3.8所示，图3.8（a）为纳米金属光栅结构示意图，图3.8（b）为标定前相邻四个像素对光强的响应随相位的改变，图3.8（c）为标定后的对光强的响应曲线。图3.8偏振成像单元非均匀误差补偿3.2.2CCD芯片与纳米光栅对准误差首先将微阵列式光罗盘固定在精密转台上，将其放置在由偏振片和积分球光源组成的标准偏振光源下，通过旋转转台进行多次测量，并且读取转台上的数值，作为参考转动角度；然后根据不同旋转位置时传感器的测量结果，按照偏振测量方程计算相应的偏振角变化角度，则参考转动角度与传感器测量的变化角度之间的误差为：kk00kr（3.6）
【参考文献】：
期刊论文
[1]天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验[J]. 范晨,胡小平,何晓峰,练军想,王玉杰. 光学精密工程. 2015(09)
[2]基于偏振成像技术的空间大气偏振模式分布获取[J]. 张楠,王飞,刘俊,王晨光,李大林,任建斌,薛晨阳,唐军. 激光与光电子学进展. 2015(09)
[3]仿生偏振光定向算法及误差分析[J]. 王玉杰,胡小平,练军想,先治文. 宇航学报. 2015(02)
[4]基于偏振成像的方位角度解算算法的设计与验证[J]. 卢皓,赵开春,尤政,王晓初. 清华大学学报(自然科学版). 2014(11)
[5]仿生复眼光学偏振传感器及其大气偏振E矢量检测应用[J]. 丁宇凯,唐军,王飞,王晨光,翟超,曹卫达,周智君,赵鹏飞,刘俊. 传感技术学报. 2013(12)
[6]天空光偏振模式自动探测装置[J]. 赵开春,卢皓,尤政. 光学精密工程. 2013(02)
[7]沙尘气溶胶粒子群的散射和偏振特性[J]. 郝增周,龚芳,潘德炉,黄海清. 光学学报. 2012(01)
[8]仿生POL神经元的偏振光导航传感器研究[J]. 范宁生,张旭东,范之国,王昕. 传感器与微系统. 2011(09)
[9]全天空测云技术现状及进展[J]. 高太长,刘磊,赵世军,孙学金,刘剑. 应用气象学报. 2010(01)
[10]基于自然偏振光的自主导航新方法研究进展[J]. 周军,刘莹莹. 宇航学报. 2009(02)
硕士论文
[1]地气系统中太阳光偏振辐射传输特性研究[D]. 严海波.合肥工业大学 2014
本文编号：3231507
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
POL神经元模型
国防科技大学研究生院硕士学位论文第18页现较为稳定，从而进一步说明了在多云条件下也可利用天空偏振模式进行定向，只是需要进行进一步可用信息的提取工作。2.3.2.2地面场景偏振图像由偏振的成因可知，在目标物体反射自然光，会引发偏振现象，使得反射光中含有偏振信息，可以对其进行分析，进行目标识别，去雾等处理。为了验证偏振光罗盘时候能满足类似的功能，也进行了实际拍摄，分析实验数据。以典型车辆场景为例进行说明：（a）原始图像（b）恢复光强信息的图像（c）偏振度图像（d）偏振角图像图2.7实际场景的偏振信息本次实验采集了35组实验数据，每组数据有5张图片，分别对其进行偏振态解算。图2.7（a）为实验采集到的原始图像，图像中包括亮度信息以及偏振信息，每四个偏振测量像素点即可计算出一个偏振测量单元对应的偏振态信息，详细的计算方法在2.3.1小节有说明。对于原始图像每四个像素点的光强信息恢复出原始场景的光强信息，利用公式22221234IIIII，原始光强信息如图2.7（b）所示，可见图像中目标物体的对比度有所提高，但是由于分辨率减半，图像显得模糊不清。
国防科技大学研究生院硕士学位论文第27页在衡量相机的线性参数标定结果时，若线性相关系数j越接近于1，则表明线性度越强，标定结果越准确。由于每个相机含有多个像素点，可采用像素点百分比的指标衡量整体的标定结果，此方法可实现高精度线性参数标定。标定结果如图3.8所示，图3.8（a）为纳米金属光栅结构示意图，图3.8（b）为标定前相邻四个像素对光强的响应随相位的改变，图3.8（c）为标定后的对光强的响应曲线。图3.8偏振成像单元非均匀误差补偿3.2.2CCD芯片与纳米光栅对准误差首先将微阵列式光罗盘固定在精密转台上，将其放置在由偏振片和积分球光源组成的标准偏振光源下，通过旋转转台进行多次测量，并且读取转台上的数值，作为参考转动角度；然后根据不同旋转位置时传感器的测量结果，按照偏振测量方程计算相应的偏振角变化角度，则参考转动角度与传感器测量的变化角度之间的误差为：kk00kr（3.6）
【参考文献】：
期刊论文
[1]天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验[J]. 范晨,胡小平,何晓峰,练军想,王玉杰. 光学精密工程. 2015(09)
[2]基于偏振成像技术的空间大气偏振模式分布获取[J]. 张楠,王飞,刘俊,王晨光,李大林,任建斌,薛晨阳,唐军. 激光与光电子学进展. 2015(09)
[3]仿生偏振光定向算法及误差分析[J]. 王玉杰,胡小平,练军想,先治文. 宇航学报. 2015(02)
[4]基于偏振成像的方位角度解算算法的设计与验证[J]. 卢皓,赵开春,尤政,王晓初. 清华大学学报(自然科学版). 2014(11)
[5]仿生复眼光学偏振传感器及其大气偏振E矢量检测应用[J]. 丁宇凯,唐军,王飞,王晨光,翟超,曹卫达,周智君,赵鹏飞,刘俊. 传感技术学报. 2013(12)
[6]天空光偏振模式自动探测装置[J]. 赵开春,卢皓,尤政. 光学精密工程. 2013(02)
[7]沙尘气溶胶粒子群的散射和偏振特性[J]. 郝增周,龚芳,潘德炉,黄海清. 光学学报. 2012(01)
[8]仿生POL神经元的偏振光导航传感器研究[J]. 范宁生,张旭东,范之国,王昕. 传感器与微系统. 2011(09)
[9]全天空测云技术现状及进展[J]. 高太长,刘磊,赵世军,孙学金,刘剑. 应用气象学报. 2010(01)
[10]基于自然偏振光的自主导航新方法研究进展[J]. 周军,刘莹莹. 宇航学报. 2009(02)
硕士论文
[1]地气系统中太阳光偏振辐射传输特性研究[D]. 严海波.合肥工业大学 2014
本文编号：3231507
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