[發明專利]一種基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置和方法

有效

• 申請號: 202110676614.1
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113432611B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 胡搖;李千惠;郝群;曹杰
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G06F17/16
• 代理公司: 北京市中聞律師事務所 11388
• 代理人: 馮夢洪

基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置及方法，可以通過一次拍攝即可提取至少三種不同方向的全天域高分辨率的偏振光強信息，速度快，同步性高；能夠逐像素獲得的大視場、高分辨率的測量結果，既消除了多目傳感器帶來的視場誤差和旋轉偏振片傳感器的非同步測量誤差，提高了測量精度，又充分利用了全天域的偏振信息；結構簡單，使用方便，適應于實際應用場景。定向裝置包括：魚眼鏡頭(1)、微透鏡陣列(2)、納米光柵微偏振陣列(3)、CMOS圖像探測器(4)、POE(5)、上位機(6)和電源模塊(7)。定位方法利用掩膜均值對計算得到的大氣偏振模式做了修復處理，減輕天空視場中的遮擋物帶來的影響，使定向的精度和可靠性得到提升。

技術領域

本發明涉及運動體的仿生導航定位的技術領域，尤其涉及一種基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置，以及這種基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置所采用的定向方法。

背景技術

隨著航天器、無人機、地面移動機器人等無人運動平臺的快速發展，運動載體的自主導航與定位已經成為一項關鍵技術。現階段，常用的導航與定位手段是慣性導航和衛星導航。但是，長時間工作時慣性導航容易累計誤差，影響定位精度，衛星導航過于依賴衛星通訊，易受電磁干擾。因此面對復雜環境時，兩者往往難以滿足要求。

偏振光定向是在仿生學的基礎上發展起來的一種新型的輔助導航手段。由于大氣層對太陽光具有散射作用，會改變太陽光的偏振態，從而形成有規律的大氣偏振模式，其中蘊含著豐富的導航信息。自然界的很多生物都可以通過感知大氣偏振模式進行導航，比如沙漠螞蟻可以通過感知大氣偏振模式確定方向，從距離巢穴數百米的地方沿直線準確返回。由于大范圍內大氣偏振模式很難受到人為干擾，且其誤差不隨時間累計，可以幫助解決無人運動平臺在在強干擾復雜環境中長時間工作時的自主導航與定位問題。

傳統的偏振成像定向裝置主要包括多目式偏振傳感器和旋轉式偏振傳感器兩類。但是，多目式偏振傳感器結構較為復雜，同時多目之間具有視場誤差。而旋轉式偏振傳感器在一組測量中需要多次旋轉偏振片，使用步驟較為繁瑣且帶來了非同步測量誤差。此外，在實際應用中，天空視場內通常存在樹木、建筑物等遮擋物，影響定向的準確性和可靠性。因此，如何在存在遮擋的環境下實現快速、精確、便捷的大氣偏振模式測量仍然是一個重要的問題。

發明內容

為克服現有技術的缺陷，本發明要解決的技術問題是提供了一種基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置，其可以通過一次拍攝即可提取至少三種不同方向的全天域高分辨率的偏振光強信息，速度快，同步性高；能夠逐像素獲得的大視場、高分辨率的測量結果，既消除了多目傳感器帶來的視場誤差和旋轉偏振片傳感器的非同步測量誤差，提高了測量精度，又充分利用了全天域的偏振信息；結構簡單，使用方便，適應于實際應用場景。

本發明的技術方案是：這種基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置，其包括：魚眼鏡頭(1)、微透鏡陣列(2)、納米光柵微偏振陣列(3)、CMOS圖像探測器(4)、POE(5)、上位機(6)和電源模塊(7)；

該裝置的成像光軸垂直于水平面指向天空，魚眼鏡頭的有效視場角大于180°并對無窮遠處的天空成像，全天域的散射光經魚眼鏡頭入射到該裝置中，并依次透射微透鏡陣列和納米光柵微偏振陣列，到達CMOS圖像探測器；

微透鏡陣列位于納米光柵微偏振陣列的正上方，包含的微透鏡數量與CMOS圖像探測器像素單元數相等；

至少三種不同偏振角度的納米光柵按照一定的排布規律覆蓋在每個CMOS像素單元表面，形成納米光柵微偏振陣列；CMOS圖像探測器采集全天域天空偏振光強度信息并完成光電轉換；POE執行上位機與COMS探測器之間的數據傳輸并為CMOS圖像探測器提供直流供電；上位機對采集到的全天域天空偏振光強度進行計算和處理，獲得大氣偏振模式；電源模塊為上位機和POE提供交流供電。