一种基于直射阳光补偿的成像式偏振传感器仿生定向方法

技术领域

本发明属于组合导航技术领域，更具体地说，是涉及一种基于直射阳光补偿的成像式偏振传感器仿生定向方法。

背景技术

偏振作为光波的振动方向信息，与光强信息一起构成光信息的矢量维空间。当太阳光穿过地球大气层时，由于大气分子和气溶胶粒子的散射作用，在整个天空中呈现稳定的偏振分布格局。生物学研究表明，螳螂虾、章鱼、蝗虫、沙漠蚁等生物可以利用其独特的视觉结构来感知整个天空的偏振模式，并利用这些信息进行自我定位。受仿生导航机制的启发，极化导航已经在无人机、无人地面车辆等导航领域展示了先进的性能。它具有无累积误差、抗电磁干扰、隐蔽性强等优点，为全球导航卫星系统(GNSS)拒绝环境中的完全自主定向提供了一种新颖的解决方案。然而，对偏振传感器(PS)误差机理的研究目前尚不完整。因此，研究复杂环境下偏振传感器的误差模型对提高仿生极化定向精度具有重要意义。

目前，偏振传感器(偏振传感器)误差模型可分为基于光电二极管的点源型和基于CMOS芯片的成像型。对于点源偏振传感器，Lambrinos利用六组光电二极管构建了一个点源偏振传感器，实现了航向测量并在移动机器人上进行了实验。Chu使用偏振检测器和对数放大器构建了三对极化对抗单元(POL)，使用积分球校准传感器，得到偏振角测量误差小于0.2°。Ma提出了一种基于最小二乘法的极化信息计算方法，并对传感器的安装角误差和极化角误差进行了标定。Dupeyroux设计了一款UV偏振传感器，在各种天气和环境条件下进行了室外实验，在晴朗的日子里实现了小于0.3°的方向精度。而点源偏振传感器单次测量只能获得沿某一观测方向的极化信息，容易受到环境遮挡的影响，鲁棒性较差。因此，成像偏振取向方法得到了越来越多的关注。Sturzl实现了四通道鱼眼偏振相机的几何定标，并估计了偏振通道的测量协方差。Chu使用一次性纳米压印和金属沉积工艺将双层纳米线偏振器与光电探测器集成在一起，避免了与离散偏振器相关的对准误差。Fan考虑了偏振传感器的强度响应一致性误差和偏光镜安装角度误差，Ren基于消光比误差构建了成像偏振传感器模型，进一步提高了偏振角(AOP)检测的精度。Li提出了一种基于Berry模型的现场标定方法，提高了多重散射严重场景下的定向鲁棒性。wan在成像偏振传感器时，进一步考虑了光学系统的畸变效应，构造了光学系统的Mueller矩阵，得到的航向精度为0.667°。然而，上述方法并没有考虑环境中阳光直射干扰对偏振通道的影响。Liu开发了太阳直射干扰下的点源偏振传感器检测模型，增强了传感器对不同太阳仰角的适应性。

综上，现有技术中共有以下缺陷：(1)没有考虑阳光的直接干扰，严重影响航向测量精度；(2)点源式的偏振传感器直射阳光补偿方法难以在成像式偏振传感器直接应用；(3)未考虑载体倾斜状态对航向测量的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于直射阳光补偿的成像式偏振传感器仿生定向方法，旨在解决现有技术中无法在GNSS拒止及磁干扰环境下实现高精度全自主定向的的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于直射阳光补偿的成像式偏振传感器仿生定向方法，包括：

步骤1：获取原始偏振光强探测值，

步骤2：基于原始偏振光强探测值获取透射光强和偏振响应强度；

步骤3：基于入射光强和偏振响应响度构建改进的成像式偏振传感器探测模型；

步骤4：基于改进的成像式偏振传感器探测模型和原始偏振光强探测值获取非偏振光中的直射阳光权重；

步骤5：基于非偏振光中的直射阳光权重对原始偏振光强探测值进行修正，获取直射阳光补偿后的斯托克斯矢量和偏振角信息；

步骤6：基于直射阳光补偿后的偏振角信息获取载体航向。

可选的，步骤2包括：

步骤2.1：将太阳直射的电场矢量分解为E

步骤2.2：基于直射阳光的入射光强计算E

步骤2.3：基于偏振光的基本传输机制和偏振光片的透射光强度计算E

步骤2.4：基于E

E

公式(1)中，

E

公式(2)中，γ

偏振响应强度为：

公式(3)中，P为直射阳光的偏振响应系数，

可选的，步骤3包括：

步骤3.1：基于偏振响应强度建立四通道偏振单元的单通道光强响应模型；

步骤3.2：基于四通道偏振单元的单通道光强响应模型获取E

步骤3.3：基于四通道偏振单元的单通道光强响应模型和E

四通道偏振单元的单通道光强响应模型为：

公式(4)中，

E

P

公式(5)和(6)中，P

改进的成像式偏振传感器探测模型为：

公式(7)中，β

可选的，步骤4包括：

步骤4.1：基于传统的成像偏振传感器模型计算初始的偏振角ξ和偏振度d；

步骤4.2：基于初始的偏振角ξ和偏振度d和改进的成像式偏振传感器探测模型构建展开后的成像式偏振传感器探测模型，并使展开后的成像式偏振传感器探测模型满足偏振通道光强响应目标函数；

步骤4.3：基于安装角度和所述展开后的成像式偏振传感器探测模型获取最终的成像式偏振传感器探测模型；

步骤4.4：基于最终的成像式偏振传感器探测模型获取非偏振光中的阳光直射权重；

初始的偏振角ξ和偏振度d为：

公式(8)和公式(9)中，s为Stokes向量，I

展开后的成像式偏振传感器探测模型为：

公式(10)中，

偏振通道光强响应目标函数为：

公式(11)中，

最终的成像式偏振传感器探测模型为：

s＝[s

＝[I

公式(12)和公式(13)中，s为斯托克斯矢量，ξ为初始的偏振角，d为初始的偏振度，k

非偏振光中的阳光直射权重为：

公式(14)中，k

可选的，步骤5包括：

步骤5.1：基于最小二乘法对非偏振光中的阳光直射权重进行补偿，得到直射阳光补偿后的偏振通道对应的光强值；

步骤5.2：基于到直射阳光补偿后的偏振通道对应的光强值获取直射阳光补偿后的斯托克斯矢量和偏振角信息；

直射阳光补偿后的偏振通道对应的光强值为：

公式(15)中，

阳光直射补偿后的斯托克斯矢量为：

公式(16)中，

阳光直射补偿后的偏振角信息为：

公式(17)中，ξ为阳光直射补偿后的偏振角信息，

可选的，步骤6包括：

步骤6.1：基于直射阳光补偿后的斯托克斯矢量和偏振角信息获取偏振信息；

步骤6.2：基于偏振信息计算载体航向。

可选的，步骤6.2包括：

步骤6.2.1：基于偏振信息获取载体系统下的观测向量

步骤6.2.2：基于载体系统下的观测向量

步骤6.2.3：基于l系下的向量

步骤6.2.4：基于l坐标系到c坐标系的变换矩阵获取倾角补偿后的l坐标系的天顶角和方位角；

步骤6.2.5：基于倾角补偿后的l坐标系的天顶角和方位角获取天顶角和方位角的转换关系；

步骤6.2.6：基于天顶角和方位角的转换关系获取n坐标系中的偏振矢量；

步骤6.2.7：基于n坐标系中的偏振矢量获取补偿倾角误差后的l坐标系的偏振矢量；

步骤6.2.8：基于补偿倾角误差后的l坐标系的偏振矢量获取l坐标系的的测量值；

步骤6.2.9：基于当地时间和位置确定导航坐标系中太阳的天顶角γ

l坐标系下的向量

公式(18)中，

l坐标系到c坐标系的变换矩阵为：

公式(19)中，ro为相机的翻滚角度，pi为相机的俯仰角，

倾角补偿后的l坐标系的天顶角和方位角为：

公式(20)中，

天顶角和方位角的转换关系为：

公式(21)中，φ为E向量与观测子午线平面之间的夹角，ψ为E与偏光镜极性方向的夹角；

n坐标系中的偏振矢量为：

公式(22)和公式(23)中，

l坐标系的的测量值为：

公式(24)中，

载体航向为：

公式(25)中，heading为航向，

本发明提供的一种基于直射阳光补偿的成像式偏振传感器仿生定向方法与系统的有益效果在于：本发明分析了复杂环境条件下阳光直射对偏振传感器检测的影响机制。将阳光直射干扰因素引入成像偏振探测强度响应模型，从而提高了模型的精度；本发明构建了基于直射阳光补偿的偏振态信息解析式求解模型。利用四通道偏振响应光强的冗余信息建立方程组，提高了偏振态信息求解的精度和实时性；本发明设计了一种基于最小二乘拟合的偏振航向测量方法，搭建了基于直射阳光补偿的成像偏振传感器仿生定向装置，利用仿真和室外动态转位实验平台，验证了所提方法的先进性；本发明提出的航向测量方法为全自主式的航向测量方法，能够在GNSS拒止环境下为无人平台提供高精度的导航信息，可以明显抑制直射阳光对航向测量结果的干扰，显著提高航向测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于直射阳光补偿的成像式偏振传感器仿生定向方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的直射阳光通过偏振器的偏振机理图；

图3为本发明实施例提供的直射阳光通过偏振器的偏振机理图；

图4为本发明实施例提供的倾斜状态下的偏振航向测量方法示意图；

图5为本发明实施例提供的太阳直射下偏振通道的仿真结果图；

图6为本发明实施例提供的仿真试验不同模型的航向测量结果图；

图7为本发明实施例提供的基于直射阳光补偿的成像式偏振光传感器仿生定向装置示意图；

图8为本发明实施例提供的室外试验的不同模型航向测量结果图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据图1-8对本具体实施方式进行说明，对于偏振导航，偏振传感器模型的精度直接影响航向测量的精度。传统的成像偏振传感器模型考虑了光强一致性误差、偏振器安装角度误差和消光比误差等误差因素对AOP测量的影响，定义为模型1，表示为

其中，β

尽管模型1提高了自然光散射形成的偏振光的检测精度，但它没有考虑阳光直射和偏振光之间的耦合对偏振通道检测结果的影响，严重降低了偏振航向计算的精度。如图2a)所示，当太阳光入射到大气中时，一部分光会被大气散射，形成全天空偏振模式，而另一部分则是不受偏振效应直接入射到传感器上的直射太阳光。阳光直射的检测过程不符合传统的偏振传感器模型1，其电矢量将分解为E

针对上述问题，本发明提出了一种基于直射阳光补偿的偏振定向方法。该方法主要包括三个部分:构建具有直射阳光补偿的改进成像式偏振传感器模型、偏振态信息解算和偏振航向测量。

首先构建改进成像式偏振传感器模型。图3展示了通过偏振器倾斜的直射阳光的探测机制。设OS为太阳矢量方向，OP为观测矢量方向。太阳直射的电场矢量可分解为E

公式(2)中，

根据偏振光cite{RN10}的基本传输机制，通过偏振光片的透射光强度对于电场矢量E

公式(3)中，γ

α和β都与E

根据图3所示，点源式偏振传感器模型直接探测与CMOS芯片法线方向的偏振信息。而成像式偏振传感器不同，当直射阳光经过广角镜头时，其光传输路径发生变化。随后，直射阳光穿过透镜罩后，以接近垂直的方向照射到偏光板阵列和CMOS芯片上。在这一点上，太阳直射的天顶角γ

公式(4)中，P为直射阳光的偏振响应系数，

根据公式(4)，我们可以建立四通道偏振单元的单通道光强响应模型：

公式(5)中，

与

P

公式(6)中，ψ

E

公式(7)中，P

新整理公式(5)后，可得到改进的成像式偏振传感器探测模型：

公式(8)中β

与模型1相比，改进的成像偏振传感器检测模型额外考虑了阳光直射的影响。

是将载体的地理位置和时间输入太阳星历得到的；heading

然后进行偏振态信息解析式求解。在建立成像偏振传感器的检测模型后，需要进一步结合被测偏振通道的响应光强来求解偏振状态。因此，需要建立检测值

公式9中

公式(10)中，s为Stokes向量，I

虽然该方法没有考虑阳光直射的影响，但我们可以使用计算的偏振度d和入射光强I

公式(11)中，

其中

公式(12)中，

可通过事先标定得到，而k

s＝[s

＝[I

公式(13)和(14)满足Ds＝F。因此，可以用最小二乘法求解方程(12)，得到最优斯托克斯矢量为

使用公式(15)来求解基于阳光直射干扰的单个偏振通道的Stokes矢量。然而，对于具有数百万偏振通道的偏振传感器成像，式(15)中的矩阵反演运算将消耗大量时间。因此，有必要推导出

公式(16)中，s为斯托克斯矢量，ξ为初始的偏振角，d为初始的偏振度，k

则可计算出非偏振光直射阳光的权值k

公式(17)中，k

k

公式(18)中，

最后，我们可以得到经阳光直射补偿后的斯托克斯矢量，如式(19)所示。

公式(19)中，

由式(10)可得直射阳光补偿后的AOP测量值，即阳光直射补偿后的偏振角信息

最后进行航向测量。在获得传感器坐标系中补偿阳光直射的AOP值

假设载体坐标系与传感器坐标系重合，其中c-frame表示传感器坐标系，l-frame表示倾斜校正后的水平参考坐标系，n-frame表示“东-北-上”地理坐标系。图1为从本地子午线经观测天球倾斜状态下的AOP测量过程。γ

公式(20)中，

公式(21)中，ro为相机的翻滚角度，pi为相机的俯仰角，

ro和pi表示相机的翻滚角度和俯仰角。这样就可以得到经倾角补偿后的l坐标系的天顶角和方位角。

公式(22)中，

φ表示E向量与观测子午线平面之间的夹角。φ和ξ之间的关系表示为

公式(23)中，φ为E向量与观测子午线平面之间的夹角，ψ为E与偏光镜极性方向的夹角；

此外，为了利用瑞利散射模型计算太阳矢量e，需要计算n坐标系中偏振矢量的表达式:

公式(24)中

/>

公式(25)中，

通过将式(25)代入到(24)，偏振矢量e

min

矩阵EE

根据星历，可以由当地时间和位置确定导航坐标系中太阳的天顶角γ

其中，heading为航向，

航向角解存在180°模糊度，可由组合导航系统确定。

本发明通过仿真和室外实验验证本文提出的基于直射阳光补偿的偏振定向方法的有效性。我们以最终航向测量精度作为评价指标。将偏振传感器在100秒内的旋转角度设置为720°，可以得到多个偏振通道在阳光直接干涉下的光强输出。

中心区域单极化通道的输出如图5所示。可以看出，在不同偏振方向下，偏振传感器成像的振幅和相位受到明显干扰。

然后采用不同的偏振传感器模型进行极化航向计算。模型1是不考虑阳光直射影响的传统模型。模型2为本专利提出的基于阳光直射补偿的模型。在模型2中，对标题参考值施加均值为0°，方差为0.5°的正态分布随机噪声，作为先验航向。在仿真实验中。

不同模型的航向测量结果如图6所示。可以看出，考虑了阳光直射补偿的偏振传感器模型有效地抑制了阳光直射对极化通道检测强度的影响。与传统模型相比，该模型的航向测量结果更接近真实航向。

进一步通过室外实验验证了该模型在实际阳光直射干扰下的航向测量性能。室外实验使用的基于直射阳光补偿的成像式偏振光传感器仿生定向装置如图7所示。成像式偏振传感器系统由偏光相机和鱼眼镜头组成。采用光纤惯性导航系统(FINS)作为基准进行航向测量。在实验过程中，首先对fines进行初始对准，然后控制转台旋转，在一天中不同时间间隔的不同方位拍摄全天偏振图像。

各种模型在室外实验中的航向测量结果如图8所示。模型1和模型2在计算载体航向信息方面都表现出熟练的能力。然而，由于考虑了阳光直射的影响，即使在实际数据集中，模型2也比传统模型更接近参考航向。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。