[發明專利]一種基于擴展卡爾曼濾波的仿生偏振傳感器多源誤差標定方法

有效

• 申請號: 201810129372.2
• 申請日: 2018-02-08
• 公開（公告）號: CN108375381B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 杜濤;李雄;王月海;郭雷;王巖;劉萬泉;王華鋒
• 申請（專利權）人: 北方工業大學;北京航空航天大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種基于擴展卡爾曼濾波的仿生偏振傳感器多源誤差標定方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)仿生偏振傳感器多源誤差分析；

(2)建立以包括安裝誤差、比例因子的多源誤差和偏振方位角為系統狀態量的仿生偏振導航系統狀態模型；

(3)選擇含多源誤差的偏振傳感器輸出值，即光強測量值，作為量測建立仿生偏振導航系統量測模型；

(4)基于步驟(1)-步驟(3)，搭建偏振光測試實驗環境，采集偏振傳感器測量數據；

(5)設計擴展卡爾曼濾波器，估計安裝誤差、比例因子和偏振方位角；

(6)根據安裝誤差、尺度因子和偏振方位角估計值補償仿生偏振傳感器實際測量值；

其中，所述步驟(1)仿生偏振傳感器多源誤差分析包括：

在仿生偏振傳感器實際應用中，傳感器實際輸出數據精度受多源誤差制約，主要包括三類，偏振傳感器安裝誤差、測量噪聲和多通道光電二級管傳輸響應系數即比例因子；

偏振傳感器安裝誤差主要由偏振片和光電二極管安裝不精確導致；理論上，偏振傳感器中偏振片在極化方向上是相互垂直安裝，它的輸出信號與偏振片在極化方向上安裝是否垂直有關；光電二極管對光信號轉換成電信號易受到它是否安裝在同一水平面上影響；

偏振片和光電二極管對偏振傳感器采集的光信號響應存在差異，光電二極管把光信號轉換為電信號后存在加性漂移誤差；經過放大電路后，存在電壓幅值乘性誤差；該類誤差統稱為多通道光電二級管傳輸響應系數即比例因子；

所述步驟(2)選擇包括安裝誤差、比例因子的多源誤差和偏振方位角為系統狀態變量建立仿生偏振導航系統狀態模型；根據偏振傳感器對立通道信號處理方法，選取9個狀態量作為標定參數，考慮偏振傳感器待估計的參數為：

X＝[ε₁ ε₂ ε₃ ε₄ ε₅ K₁ K₂ K₃ φ]^T

其中ε_i,i＝1,2,…5是3組仿生傳感器偏振片的安裝誤差角，K₁～K₃是3組仿生傳感器比例因子，φ是偏振傳感器偏振方位角；

建立仿生偏振導航系統狀態方程為：

X_k＝f(X_k-1)+W_k-1

其中，f(X_k-1)＝[ε_1,k-1 ε_2,k-1 ε_3,k-1 ε_4,k-1 ε_5,k-1 K_1,k-1 K_2,k-1 K_3,k-1 φ_k-1+ψ_k-1]^T，ψ_k-1是數據采集中每次轉臺旋轉的角度；W_k-1是系統噪聲，為高斯白噪聲，W_k-1的協方差陣為Q_k-1；k-1表示第k-1時刻；

所述步驟(3)選擇含多源誤差的偏振傳感器輸出值，即光強測量值；作為量測建立仿生偏振導航系統量測模型；

根據偏振傳感器對立通道信號處理方法；仿生偏振導航系統量測方程為：

Y_k＝h(X_k)+V_k

其中，

其中，d是大氣偏振度；V_k是測量噪聲，噪聲為高斯白噪聲，V_k的協方差陣為R_k；

所述步驟(4)的搭建偏振光測試實驗環境，采集偏振傳感器測量數據；

根據實驗測量要求，選擇標準偏振光源作為光源，將待測量的仿生偏振導航傳感器固定在齒分割臺的轉臺上；轉盤勻速旋轉，每次旋轉度數為ψ_k度，每個測量周期內實驗轉臺旋轉度數不少于360°，在旋轉過程中對偏振傳感器對立通道的輸出測量值進行等間隔采樣，作為仿生偏振傳感器輸出值記錄；

所述步驟(5)的設計擴展卡爾曼濾波器，估計安裝誤差，比例因子和偏振方位角：

(1)時間更新；

①設定初始化狀態量和狀態量的協方差矩陣P_0|0；

②計算一步預測，其中為一步預測的狀態，為上一時刻估計的狀態；

③計算狀態轉移矩陣Φ_k-1，

④計算預測協方差P_k|k-1，P_k-1|k-1為上一時刻估計狀態的協方差矩陣；

(2)量測更新

①計算量測轉移矩陣H_k，

②計算濾波增益矩陣Μ_k，

③狀態估計值

④更新狀態量的協方差矩陣P_k，P_k＝(I₉-Μ_kH_k)P_k|k-1，I₉為9維的單位矩陣；

所述步驟(6)的根據安裝誤差、尺度因子和偏振方位角估計值補償仿生偏振傳感器實際測量值；

具體的，傳感器為六通道傳感器，鏡頭分別安裝角度為0，2π/3，4π/3，偏振傳感器接收到部分偏振光總光強為I，偏振度為d，線性偏振光的E-矢量方向與參考坐標方向的夾角為φ；由馬呂斯定律得，通過光電轉換器轉換輸出電信號P₁,P₂,P₃：

引入去對數變換：

可得：

偏振度d和偏振方位角φ為：

上述步驟(1)-步驟(5)計算出安裝誤差和尺度因子估計值代入仿生偏振傳感器量測模型中得到補償后的量測值然后計算出仿生偏振傳感器偏振角φ；

考慮安裝誤差和尺度因子得到補償后的量測值為：

然后補償后的量測值代入偏振方位角φ求解公式，求出補償后的偏振方位角φ；