[發明專利]一種微陣列式偏振光羅盤的定向方法

有效

• 申請號: 201710914696.2
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107728106B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 胡小平;韓國良;練軍想;何曉峰;張禮廉;王玉杰;范晨;吳雪松;蔡宇
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01S3/782
• 分類號: G01S3/782
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 陸薇薇

本發明公開了一種微陣列式偏振光羅盤的定向方法。微陣列式偏振光羅盤主要由廣角鏡頭、像素偏振片陣列和CCD相機組成，首先建立微陣列式偏振光羅盤的測量方程，傳感器誤差主要包括CCD相機線性誤差和偏振片安裝誤差，然后建立優化目標函數標定CCD相機線性誤差參數和偏振片安裝誤差參數，最后根據天空偏振角模式獲取太陽方位，本發明能夠有效提高微陣列式偏振光羅盤測量太陽方位的精度，具有原理簡單、操作簡便、適用范圍廣等優點，實現了基于天空偏振模式的偏振光定向。

技術領域：

本發明涉及偏振光傳感器測量領域，特別涉及一種微陣列式偏振光羅盤的定向方法。

背景技術：

動物擁有杰出的導航能力，沙漠螞蟻和蜜蜂等動物被證明擁有感知偏振光的能力，它們利用獨特的偏振視覺結構，感知大氣的自然偏振特性，提取太陽的方位信息，從而進行可靠的導航定位。仿生偏振光傳感器借鑒了動物高度敏感的視覺感知系統，以大氣偏振模式為基礎實現載體航向信息的獲取，具有抗干擾性強、誤差不隨時間積累、適用范圍廣等優勢。

文獻(“基于拓撲節點遞推的自主導航方法研究”，國防科學技術大學博士學位論文，2016年，先治文)設計基于光電二極管的偏振光傳感器，可以有效測量天空中某一方向入射光的偏振信息，但測量區域有限，易受遮擋以及天氣的影響。文獻(“像素偏振片陣列制備及其在偏振圖像增強中的應用”，《物理學報》，2014年4月，第63卷第2期，張志剛等)提出了制備金屬納米光柵的工藝，并將陣列式偏振相機應用于偏振圖像增強，但并未給出將其應用于導航的方法。文獻(“Design and Calibration of a Novel Camera-Based Bio-Inspired Polarization Navigation Sensor”，IEEE Sensors Journal 16(2016)3640-3648，Chen Fan)理論推導了基于四目相機的圖像式偏振光傳感器的誤差模型及其標定方法，并將傳感器應用于大氣偏振模式測量，但其誤差模型并不適用于陣列式偏振光羅盤。

與基于多目相機的圖像式偏振光羅盤相比，微陣列式偏振光羅盤具有結構簡單、集成度高、低功耗等特點。目前公開的資料中，微陣列式偏振光傳感器集中應用于圖像增強，對微陣列式偏振光羅盤的定向方法研究甚少。因此，建立微陣列式偏振光羅盤的測量方程并標定誤差參數對準確獲取太陽方位信息具有十分重要的意義。

發明內容：

本發明要解決的技術問題在于：建立微陣列式偏振光羅盤的測量方程并標定誤差參數，解決一種微陣列式偏振光羅盤的定向問題。

為解決上述技術問題，本發明提出的解決方案為：

一種微陣列式偏振光羅盤的定向方法，該方法包括以下步驟：

步驟1.建立微陣列式偏振光羅盤的測量方程：

微陣列式偏振光羅盤主要由廣角鏡頭、像素偏振片陣列和CCD(Charge-CoupledDevice)相機組成；像素偏振片陣列的像素與CCD像素尺寸完全相等，相鄰的4個CCD像素構成一個偏振測量單元，完成對某一個視角方向入射光的偏振態解算；對于任意偏振測量單元，微陣列式偏振光羅盤的測量方程為：

其中，j為相鄰的4個CCD像素的編號，f_j為第j個像素的測量值，入射光的總光強為I，偏振度為d，φ為入射光偏振方向與參考方向的夾角，即入射光的偏振角，β_j為第j個偏振片的極化方向與參考方向的夾角，β₁、β₂、β₃和β₄分別為0°、90°、45°、135°，K_j和b_j為待標定的CCD相機線性誤差參數，k_j和ε_j為待標定的偏振片安裝誤差參數，n_j為測量噪聲；

步驟2.CCD相機線性誤差參數標定：