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,本文针对仿生偏振光导航技术中的航向角获取问题,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。文章建立在对大气偏振模式分布规律的分析基础上,对获取的大气偏振模式图像进行对称性检测,利用大气偏振模式分布的对称性特征,根据检测结果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,并通过实验验证了本文所述方法的有效性。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一个重要研究内容,对基于自然特性的导航方法与策略研究,具有重要的实践指导意义。      

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。     

仿生偏振光检测系统的设计与实现

有效提取大气偏振模式信息是实现偏振光导航应用的前提条件.借鉴昆虫偏振敏感机理,设计了一种基于“3对偏振对比单元+1个光强检测单元”的仿生偏振光检测系统,详细阐述了光学前端接收结构、信号调理及主控硬件电路等功能模块设计.针对偏振正交误差的影响,基于激光器、调节台、偏振分析仪搭建了系统测试标定平台,并分别在室内暗场和室外晴朗天气下对传感器系统的输出偏振角进行了测试.结果表明,该系统偏振角平均误差小于0.5°,能够提供准确的航向信息,实现大气偏振模式的稳定获取.     

基于大气偏振模式的定向方法研究

基于一阶瑞利散射模型，对晴朗天气条件下的太阳光大气偏振模式进行了分析，通过对天空各观测点的偏振度和偏振角计算，构建了偏振度、偏振角天空仿真可视化图像，验证了偏振度关于太阳子午线对称，偏振角关于太阳子午线反对称的分布规律，给出了一种综合考虑偏振度和偏振角分布模式得到载体航向角的方法     

基于Monte Carlo方法的混浊大气偏振模式全天域建模

大气偏振模式中包含了丰富的空间方位、地表特性以及大气层结构参数等信息,在偏振光导航、遥感探测等领域都具有重要的研究价值,但经典的理想大气偏振模式仿真模型同实际分布模式之间存在明显差异,不能准确表征混浊大气偏振模式的全局分布特性。因此,提出了一种混浊大气偏振模式的建模方法,该方法以三维天球大气模型为基础,用Monte Carlo方法模拟太阳光在大气中的传输过程,实现了对混浊大气偏振模式全局分布的建模。实验表明,建模仿真结果同混浊大气偏振模式的分布规律一致,偏振度分布模式同实际分布高度吻合,偏振角分布模式同实际分布模式具有相同的分布和变化特性,利用该模型可对混浊大气的偏振模式分布与变化特性进行分析和预测。     

偏振光导航测角歧义性问题的解决方法

本文针对偏振光导航中传感器的仿沙蚁POL-neuron模型在获取航向角时存在的角度歧义性问题,根据大气偏振模式中偏振度分布不均匀的规律,提出了一种利用三个偏振通道和一个非偏振通道进行偏振光测角的PFAC模型,通过判断函数和不同天空区域偏振度的大小关系将POL-neuron模型的有效测角范围从[-45°,45°]扩展到[0°,360°].本文描述了PFAC模型的信号处理过程,进行了传感器实测数据的分析与处理,理论和实测结果表明该模型可以解决POL-neuron模型存在的测角歧义性,为偏振光导航传感器实现360°范围内的航向角获取提供了一种有效的解决方法.     

多角度偏振辐射计大气偏振信号多路同步采集系统设计

多角度偏振辐射计是一种通过扫描方式获取大气多角度光谱偏振信息的仪器.根据大气多角度偏振信息测量原理,重点设计了偏振辐射计的多路大气偏振辐射信号同步采集系统,并对此系统进行信息测量.实验结果表明:多角度偏振辐射计大气偏振多路同步采集系统满足设计要求.     

仿昆虫复眼偏振敏感测角光电模型研究

复杂环境中的导航定位能力对于动物和机器人来说是至关重要的,很多昆虫通过天空中的偏振光模式图来获取方向信息。偏振视觉是以这些昆虫眼睛背部区域一些特殊结构的复眼为媒介的,这些复眼中包含有对于偏振光方向极度敏感的感光器。受到昆虫偏振光罗盘导航的启发,在移动机器人Sahabot上构建的偏振罗盘获得成功应用。讨论了从天空偏振模式图中提取方向信息的模型;为了提高测角模型的角度分辨率和计算效率,提出了改进方法。数值仿真结果表明了新方法的有效性。     

近地面水平方向大气偏振辐射传输仿真与验证

近地面水平方向偏振成像是地基目标观测的有效手段之一。目标偏振信息在大气传输中受到大气气溶胶及分子等散射和吸收作用的影响,叠加了非目标偏振信息,干扰了目标本身偏振特性参数的提取。因此,对大气的偏振影响研究具有重要意义。针对近地面水平方向偏振观测,基于单次散射假设,仿真计算了不同气溶胶光学厚度条件下的大气偏振辐射传输特性,并开展了外场偏振特性传输实验验证。仿真结果表明,地表贡献可以忽略;随着气溶胶光学厚度的增大,大气对总偏振反射的贡献越大;针对外场实验,仿真计算了不同时序同等观测条件下的线偏振度值,与实测结果相对误差在0.1范围内,一致性很好。研究结果为近地面偏振特性传输研究提供了理论支持,并为近地面偏振观测中的大气校正奠定了基础。     

多偏振方向对低照度伪装目标偏振度提取的影响

基于Stokes矢量和Mueller矩阵,推导了任意偏振方向的线偏振度表达式,实施了多偏振方向的低照度伪装目标偏振检测实验,以多种伪装相关的人材料三波段偏振反射实验数据为依据,采用数值计算方法讨论了上述实验结果,探讨了多偏振方向影响偏振度的误差和稳定性问题。研究表明,探测角在镜面反射方向附近,间隔60°的偏振度图像的清晰度和对比度较高,数值计算结果能合理地解释实验结果,一致性较好;发现当三个偏振方向角A、B、C之间的间隔角度ΦAB∈［40°,80°］和ΦAC平均值为2.06ΦAB时,偏振度标准差较小,低照度条件下获取的偏振信息较稳定。     

一种图像校正的偏振光罗盘系统的研究

导航传感器在探险、应急、精确制导武器、船舶、航空器导航和定位系统中起着关键作用。针对偏振光罗盘在倾斜状态下误差较大的问题,提出了一种利用加速度计和陀螺仪对偏振光罗盘进行图像校正的方法,设计了一种基于陀螺仪校正的偏振光罗盘系统。首先利用加速度计和陀螺仪计算得到载体姿态角,对偏振光图像数据进行图像校正,采用Stokes矢量法解算大气偏振模式分布,进而提取导航特征点,最后对特征点进行拟合解算出航向角信息。并且进行了静态和动态测试实验,实验结果表明,该算法能够有效的对偏振光罗盘姿态变化引起的误差进行补偿,可以将偏振光罗盘的航向角测量误差控制在1.86°之内,平均误差为0.09°。     

基于目标边缘轮廓偏振特征的姿态分析初探

通过微面元理论的函数模型,基于红外偏振辐射传输方程,推导分析红外偏振角与目标表面折射率、反射率及探测角度等关系的数学模型,通过合理简化模型仿真得出偏振角随入射角的单调变化曲线;开展红外偏振成像试验,试验数据分析与仿真结果一致,这表明:目标边缘轮廓的偏振角特征与探测波长的相关性可以忽略,在目标与背景辐射相差较小的情况下,采用光谱辐射亮度对比度的方法无法区分目标,而通过偏振角对比度可以明显区分-目标边缘特征,并提出通过基于目标几何特征以及探测位置,反演解算目标的姿态信息的新方法.     

一种新型对称分束偏光棱镜的设计

为了提高偏光棱镜出射光束的对称性,在Wallaston棱镜的基础上,对出射光端面倾斜适当的角度,在结构角一定的情况下,即可以保证分束角相对入射光方向的对称性。以589.3nm钠黄光为例,给出了出射光端面倾角,棱镜结构角和分束角之间的关系式,并分析了分束角随出射光端面倾角的变化趋势,同时提出了两种相关设计方案。测试结果表明,两出射光束的对称性相当好,理论值与实验值几乎完全吻合,表明该棱镜确是一种较理想的对称分束偏光器件。     

光子晶体缺陷模的偏振特性研究

为了了解光波在一维光子晶体的传输特性,利用传输矩阵方法进行了数值模拟,并研究了缺陷层厚度对缺陷模偏振特性的影响.结果表明,入射角的变化对光子晶体的禁带及缺陷模影响较大,它们都随入射角的增大向高频(短波)方向移动,s偏振的禁带宽度逐渐增宽而p偏振的禁带宽度变化不明显,p偏振的缺陷模频移较s偏振的稍大.随着入射角的增大,s偏振的缺陷模越来越细、品质因子逐渐增大,而p偏振的缺陷模变化趋势则刚好相反.     

偏振模色散仿真系统研究

单模光纤内核圆对称结构的破坏而导致的缺陷会在传播时引起光学脉冲变形展宽,从而导致偏振模色散,且偏振模色散具有统计特性。本文通过计算机仿真偏振模色散系统。通过改变通信系统参数,研究一阶偏振模色散对不同通信系统的影响,分析在不同系统参数情况下的偏振模色散群时延差、信号脉冲展宽和信号眼图,并讨论了不同码型对偏振模色散的影响。     

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。