CN101441171B - 四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法 - Google Patents

Abstract

四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法，其特征是采用逐级信号处理的方法，对于来自四通道大气偏振信息检测传感器的实时动态检测数据进行逐级处理，在逐级处理过程中，通过硬补偿和软补偿两种分级的补偿方法，对传感器逐级信号的误差和噪声进行信号补偿与匹配，使得由于传感器各通道逐级物理器件的信号响应与传输特性不同所造成的传感器各通道信号的漂移误差分量和幅值误差，以及由于传感器的物理噪声和环境光噪声，所引起的随机噪声，得到有效的一致性补偿和抑制，最终得到有效的传感器输出，通过对获得的数字量电信号进行大气偏振模式信息处理，得到准确、可靠的大气偏振模式信息。

Description

四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法

技术领域

本发明属于智能信息获取和处理，以及仿生机器人导航技术领域，是一种大气偏振信息的测量装置的信号处理方法，特别涉及一种四通道的大气偏振信息检测传感器的信号处理与补偿方法。

背景技术

太阳光本身是一种自然光源，但是在大气传输过程中被大气中的粒子散射和反射，比如被O₂和N₂分子，由此会产生相应的偏振光。具有不同偏振方向，不同偏振强度的太阳光，便形成了特定的大气偏振模式。大气偏振模式信息主要包括大气偏振度、偏振化方向等参数信息。大气偏振模式和地理位置、太阳位置、大气环境、天气情况，甚至和地面环境有着密切的联系，其规律非常复杂。大气偏振模式中含有重要的导航信息，对仿生机器人的导航有着重要指导意义与研究价值。另外，大气偏振信息在大气光学和偏振遥感探测等研究中也有着广泛的应用，大气偏振特性的时空分布信息为反演大气的光学和物理参数、建立大气散射辐射偏振特性模型提供了必不可少的素材。因此，要实现利用偏振模式完成自主导航任务或者探测大气相关信息，大气偏振模式信息的测量是必不可少的。

大气偏振模式中最重要的两个信息是偏振度信息和偏振化方向信息，即检测时刻的太阳方位角，大气偏振模式信息的测量主要就是针对偏振度信息和偏振化方向信息的检测。

本申请人在2006年5月9日提交的申请号为：200610040467.4、名称为“大气偏振模式检测装置及其检测方法”的发明专利申请中，提出了一种基于光电模型的大气偏振模式信息检测装置，该装置中含有一个光偏振信息采集器，该光偏振信息采集器是用于对大气偏振模式信息获取的传感器装置。光偏振信息采集器含有四个偏振光检测通道，其中每两个偏振光检测通道构成一路偏振信息检测单元，每一路偏振信息检测单元含有一对光电管偏振检测器和一个对数放大器组成。其信号处理过程是每路偏振信息检测单元中的一对检偏器将其检测到的含有大气偏振模式的光信息送至光电二极管，进行光电转换，将光信息转换成电信号，再分别将每路中的一对光电转换后的电信号进行对数放大，对数放大信号再经过运算与放大，从而完成大气偏振模式信息的获取和转换。

由于在实际的大气偏振模式信息检测的信号获取与处理过程中不可避免会引入误差和噪声。但是，在申请号为200610040467.4的专利说明书中，以及在现有的基于光电模型的大气偏振信息检测装置和设备的偏振信息获取与处理方法上，并没有考虑实际检测装置中物理器件的信号响应特性不一致等情况，造成了多个通道之间信号不匹配的问题，使得实际检测信号中存在较为严重的误差和噪声。此外，现有检测装置和设备中，大多使用高灵敏度的光电转换器件，由于强调了光电转换器件的灵敏度，而没有充分考虑检测环境的多变性与光信息的敏感性，没有在信号处理中采用针对性的有效补偿方法，这就影响了大气偏振信息检测结果的准确性和可靠性。

一方面，由于四个通道的偏振光感知与转换等单元中的物理器件的信号响应特性不可能完全一致，导致四个信号通道传输特性不同，造成运算与放大后电信号存在加性漂移误差分量；另一方面，由于两路运算与放大电路的传输特性不可能完全相同，造成运算与放大后的电信号存在乘性幅值误差；最后，检测装置中各通道的物理器件同样存在热噪声、元件噪声等物理噪声，以及不同环境下的环境光噪声，这些噪声都会使检测装置获得的大气偏振模式信息存在着不确定的随机噪声。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法，以满足对于大气偏振信息检测的准确性与可靠性的要求问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法，其特征是按如下过程进行：

采用逐级信号处理的方法，首先，利用四通道大气偏振信息检测传感器，获得四个通道的偏振光信号分别是P₁₁、P₁₂、P₂₁和P₂₂，有：

P₁₁＝n₁₁I(1+dcos2(φ-φ₁₁))(1)

P₁₂＝n₁₂I(1+dcos2(φ-φ₁₂))(2)

P₂₁＝n₂₁I(1+dcos2(φ-φ₂₁))(3)

P₂₂＝n₂₂I(1+dcos2(φ-φ₂₂))(4)

式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中的n₁₁、n₁₂、n₂₁和n₂₂分别为所述传感器中四个通道的偏振感知器对特定波段光的传输响应系数，I为归一化光强系数，d为大气偏振模式中偏振度信息，φ为大气偏振模式中偏振化方向信息，即检测时刻的太阳方位角，φ₁₁、φ₁₂、φ₂₁和φ₂₂分别为四个通道的偏振感知器的起始偏振感知方向，且有：φ₁₂-φ₁₁＝π/2、φ₂₂-φ₂₁＝π/2、0＜φ₂₁-φ₁₁＜π/2；

所述四个通道的偏振感知器输出的偏振光信号P₁₁、P₁₂、P₂₁和P₂₂分别经光电转换器后输出的模拟量电信号分别是I₁₁、I₁₂、I₂₁和I₂₂，有：

I₁₁＝m₁₁P₁₁＝l₁₁I(1+dcos2(φ-φ₁₁))(5)

I₁₂＝m₁₂P₁₂＝l₁₂I(1+dcos2(φ-φ₁₂))(6)

I₂₁＝m₂₁P₂₁＝l₂₁I(1+dcos2(φ-φ₂₁))(7)

I₂₂＝m₂₂P₂₂＝l₂₂I(1+dcos2(φ-φ₂₂))(8)

式(5)、式(6)、式(7)和式(8)中的m₁₁、m₁₂、m₂₁和m₂₂分别为四个通道的光电转换器的传输响应系数，l₁₁＝m₁₁×n₁₁、l₁₂＝m₁₂×n₁₂、l₂₁＝m₂₁×n₂₁和l22＝m₂₂×n₂₂为偏振感知器与光电转换器的合传输系数；

所述四个通道的光电转换器输出的模拟量电信号I₁₁、I₁₂、I₂₁和I₂₂，以两个通道为一组，分别经对数运算单元，输出的模拟量电信号分别是G₁和G₂，有：

$G_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{l_{11}}{l_{12}}\right)+\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(9\right)$

$G_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{l_{21}}{l_{22}}\right)+\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}\right)---\left(10\right)$

式(9)和式(10)中，0＜φ₀＝φ₂₁-φ₁₁＜π/2，

和

即是由于传感器中四个通道的偏振光感知器与光电转换器的信号响应特性不一致所造成的加性漂移误差分量；

所述两路对数运算单元输出的模拟量电信号G₁和G₂，分别经两路运算与放大单元，输出的模拟量电信号为F′₁和F′₂，有：

$F_1^{\′}\left(\mathrm{\φ}\right)=k_1\log \left(\frac{l_{11}}{l_{12}}\right)+k_1\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(11\right)$

$F_2^{\′}\left(\mathrm{\φ}\right)=k_2\log \left(\frac{l_{21}}{l_{22}}\right)+k_2\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}\right)---\left(12\right)$

式(11)和式(12)中，k₁和k₂分别为两路运算与放大单元的传输响应系数，k₁和k₂的不同造成了运算与放大单元后输出的模拟量电信号存在乘性幅值误差，和

就是运算与放大单元后输出模拟量电信号中的被放大了的加性漂移误差分量；

针对加性漂移误差分量和乘性幅值误差，按以下方式进行硬补偿：

所述硬补偿是在运算与放大过程中，调节两路运算与放大单元中的放大反馈参数，用以补偿两路运算与放大单元中由于k₁和k₂的不同所造成的乘性幅值误差，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号的幅值相等；在运算与放大过程中，调节两路运算与放大单元中的基准电平信号，用以补偿

和

所造成的加性漂移误差分量，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号最大最小值调谐至零对称，经过硬补偿后的两路运算与放大单元输出的模拟量电信号分别为F₁和F₂，有：

$F_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(13\right)$

$F_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}\right)---\left(14\right)$

硬补偿后的模拟量电信号F₁和F₂，经过模数转换单元，转换成数字量电信号；对于所述数字量电信号，若误差超过规定的阈值，再按以下方法进行软补偿：

所述软补偿是当检测数据中的误差超过规定的阈值时，则启动软补偿，所述软补偿为自适应实时校准过程，首先，传感器以自体中心为轴，匀速旋转不少于360度，在旋转过程中等间隔采样，获取两路模数转换单元的采样点数据，并对所有采样点数据进行统计与计算，分别计算出两路模数转换单元之间的信号总体误差影响因子，总体误差影响因子包括均值误差比和峰值误差比，在实际检测过程中利用总体误差影响因子对两路模数转换单元输出的数字量电信号进行自适应的实时补偿与调整，用以抵消数字量电信号中存在的漂移误差分量和幅值误差，用以抵消由于传感器各通道逐级物理器件的信号响应与传输特性不同所造成的传感器各通道信号的漂移误差分量和幅值误差，以及由于传感器的物理噪声和环境光噪声所引起的随机噪声，提高模数转换单元所获得的数字量电信号的检测精度与稳定性；

最后，获得的数字量电信号进行大气偏振模式信息处理，得到大气偏振模式的偏振度信息d和偏振化方向信息φ，即：

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_0\right)}{(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_0\right)}\right)---\left(15\right)$

$d=\sqrt{{(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{((1-2{\stackrel{\‾}{F}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_0\right))}^2/\mathrm{si}{n}^2\left(2{\mathrm{\φ}}_0\right)}---\left(16\right)$

式(15)和式(16)中的F₁(φ)和F₂(φ)是式(13)和式(14)中的F₁(φ)和F₂(φ)由S型函数 $\stackrel{\‾}{F}\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{1}{{10}^{F\left(\mathrm{\φ}\right)}+1}$ 进行去对数处理后而得到。

本发明方法是对大气偏振信息的实时动态检测数据进行逐级处理，在逐级处理过程中，通过硬补偿和软补偿两种分级的补偿方法，对传感器逐级信号的误差和噪声进行信号补偿与匹配，使得由于传感器各通道逐级物理器件的信号响应与传输特性不同所造成的传感器各通道信号的漂移误差分量和幅值误差，以及由于传感器的物理噪声和环境光噪声，所引起的随机噪声，得到有效的一致性补偿和抑制。首先，通过传感器中的偏振光感知器感知蕴涵着大气偏振模式的光信号，并转换成模拟量电信号，分别将每路中的两个通道的模拟量电信号进行对数运算，再对两路对数运算后的模拟量电信号进行运算与放大，在运算与放大过程中，针对两路模拟量电信号中存在的加性漂移误差分量和乘性幅值误差，进行硬补偿，补偿漂移误差分量和幅值误差对传感器运算与放大后的模拟量电信号的影响，使之达到一致性输出。硬补偿后的运算与放大的模拟量电信号通过模数转换单元将模拟量电信号转换成数字量电信号，再根据实际检测精度要求，当数字量电信号中的误差超过规定的阈值，则启动软补偿，针对硬补偿未完全抵消的漂移误差分量和幅值误差，以及由于传感器物理器件包括热噪声、元件噪声在内的物理噪声，以及不同环境下的环境光噪声所造成的随机噪声，利用信号的总体误差影响因子，进行自适应的补偿，最终得到有效的传感器输出，通过对获得的数字量电信号进行大气偏振模式信息处理，得到大气偏振模式信息。

与现有技术相比，本发明有益效果体在：

1、已有技术不能满足大气偏振信息检测的准确性与可靠性的要求，本发明提出一种四通道的大气偏振信息检测传感器的信号处理与补偿方法。该方法利用逐级的信号处理方法，对传感器的误差进行逐级的控制与补偿，在逐级处理过程中，通过硬补偿和软补偿两种分级的补偿方法，对传感器逐级的检测信号进行信号补偿与匹配，使得由于传感器各通道逐级物理器件的信号响应与传输特性不同所造成的传感器各通道逐级信号漂移误差分量和幅值误差，以及由于传感器的物理噪声和环境光噪声，所引起的随机噪声，得到有效的一致性补偿和抑制，提高了传感器的检测精度与检测可靠性。

2、针对传感器模拟量检测信号中含有的加性漂移误差分量和乘性幅值误差，本发明在传感器信号处理中的运算与放大单元，对运算与放大单元采用硬补偿的方法，通过调节两路运算与放大单元中的放大反馈参数，补偿检测信号中含有的乘性幅值误差，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号的幅值相等；在运算与放大单元，通过调节两路运算与放大单元中的基准电平信号，补偿检测信号中含有的加性漂移误差分量，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号最大最小值调谐至零对称。通过引入硬补偿方法，使得传感器检测信号达到了一致性输出。

3、针对传感器数字量检测信号中含有的不确定的随机噪声，以及残存的漂移误差分量和幅值误差，本发明在对传感器模拟量检测信号进行在硬补偿的基础上，当检测数据中的误差超过规定的阈值时，引入软补偿方法，计算并利用信号的总体误差因子，对实时检测信号采用自适应的补偿方法，进一步减小了传感器信号中的漂移误差分量、幅值误差以及随机噪声，使得补偿后的传感器检测结果尽可能逼近理想状态下的信号，有效降低了整个传感器系统中物理噪声以及实时检测中的环境光噪声，进一步提高了传感器检测结果的精确性和可靠性。

4、本发明方法简单有效，在实际检测实验中能够明显提高传感器检测的精确性和可靠性。例如，实验地点为合肥工业大学，时间为2008年9月27日，天气晴好，无云条件下的检测实验中，传感器匀速旋转360度，进行每间隔5度采样传感器两路模数转换单元的输出结果，当未进行任何补偿情况下，偏振化方向信息φ检测结果的绝对检测误差为1.2839度；当在运算与放大单元中引入硬补偿后，偏振化方向信息φ检测结果的绝对检测误差下降到0.3597度；当在硬补偿的基础上，再引入了软补偿的自适应补偿方法，进一步降低了传感器输出结果误差，传感器的检测结果基本逼进理想状态下的输出结果，偏振化方向信息φ检测结果的绝对检测误差仅为0.2964度。

附图说明

图1为本发明中传感器信号处理与补偿方法总体框图。

图2为本发明中传感器信号软补偿方法流程图。

图3为理想情况下传感器两路模数转换单元A和B的输出。

图4为理想情况下偏振化方向信息φ的结果。

图5为在未补偿的实际情况下，传感器两路模数转换单元A和B的输出。

图6为在未补偿的实际情况下偏振化方向信息φ的结果。

图7为本发明中硬补偿后的传感器两路模数转换单元A和B的输出。

图8为本发明中硬补偿后的偏振化方向信息φ的结果。

图9为本发明中软补偿后的传感器两路模数转换单元A和B的输出。

图10为本发明中软补偿后的偏振化方向信息φ的结果。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法过程如下：

利用四通道大气偏振信息检测传感器，获得四个通道的偏振光信号分别是P₁₁、P₁₂、P₂₁和P₂₂，有：

P₁₁＝n₁₁I(1+dcos2(φ-φ₁₁))        (1)

P₁₂＝n₁₂I(1+dcos2(φ-φ₁₂))        (2)

P₂₁＝n₂₁I(1+dcos2(φ-φ₂₁))        (3)

P₂₂＝n₂₂I(1+dcos2(φ-φ₂₂))        (4)

式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中的n₁₁、n₁₂、n₂₁和n₂₂分别为传感器中四个通道的偏振感知器对特定波段光的传输响应系数，I为归一化光强系数，d为大气偏振模式中偏振度信息，φ为大气偏振模式中偏振化方向信息，即检测时刻的太阳方位角，φ₁₁、φ₁₂、φ₂₁和φ₂₂分别为四个通道的偏振感知器的起始偏振感知方向，且有：φ₁₂-φ₁₁＝π/2、φ₂₂-φ₂₁＝π/2、0＜φ₂₁-φ₁₁＜π/2；

四个通道的偏振感知器输出的偏振光信号P₁₁、P₁₂、P₂₁和P₂₂分别经光电转换器后输出的模拟量电信号分别是I₁₁、I₁₂、I₂₁和I₂₂，有：

I₁₁＝m₁₁P₁₁＝l₁₁I(1+dcos2(φ-φ₁₁))(5)

I₁₂＝m₁₂P₁₂＝l₁₂I(1+dcos2(φ-φ₁₂))(6)

I₂₁＝m₂₁P₂₁＝l₂₁I(1+dcos2(φ-φ₂₁))(7)

I₂₂＝m₂₂P₂₂＝l₂₂I(1+dcos2(φ-φ₂₂))(8)

式(5)、式(6)、式(7)和式(8)中的m₁₁、m₁₂、m₂₁和m₂₂分别为四个通道的光电转换器的传输响应系数，l₁₁＝m₁₁×n₁₁、l₁₂＝m₁₂×n₁₂、l₂₁＝m₂₁×n₂₁和l₂₂＝m₂₂×n₂₂为偏振感知器与光电转换器的合传输系数；

四个通道的光电转换器输出的模拟量电信号I₁₁、I₁₂、I₂₁和I₂₂，以两个通道为一组，分别经对数运算单元，输出的模拟量电信号分别是G₁和G₂，有：

$G_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{l_{11}}{l_{12}}\right)+\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(9\right)$

$G_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{l_{21}}{l_{22}}\right)+\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}\right)---\left(10\right)$

式(9)和式(10)中，0＜φ₀＝φ₂₁-φ₁₁＜π/2，

和

即是由于传感器中四个通道的偏振光感知器与光电转换器的信号响应特性不一致所造成的加性漂移误差分量；

两路对数运算单元输出的模拟量电信号G₁和G₂，分别经两路运算与放大单元，输出的模拟量电信号为F′₁和F′₂，有：

$F_1^{\′}\left(\mathrm{\φ}\right)=k_1\log \left(\frac{l_{11}}{l_{12}}\right)+k_1\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(11\right)$

$F_2^{\′}\left(\mathrm{\φ}\right)=k_2\log \left(\frac{l_{21}}{l_{22}}\right)+k_2\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}\right)---\left(12\right)$

式(11)和式(12)中，k₁和k₂分别为两路运算与放大单元的传输响应系数，k₁和k₂的不同造成了运算与放大单元后输出的模拟量电信号存在乘性幅值误差，

和

就是运算与放大单元后输出模拟量电信号中的被放大了的加性漂移误差分量；

针对加性漂移误差分量和乘性幅值误差，按以下方式进行硬补偿：

硬补偿是在运算与放大过程中，调节两路运算与放大单元中的放大反馈参数，例如，可以利用精密调配网络，进行粗调补偿，用以补偿两路运算与放大单元中由于k₁和k₂的不同所造成的乘性幅值误差，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号的幅值相等；在运算与放大过程中，调节两路运算与放大单元中的基准电平信号，例如，可以利用精密电阻网络，调控运算与放大单元中的参考电源基准，用以补偿

和

所造成的加性漂移误差分量，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号最大最小值调谐至零对称。因此，经过硬补偿后的两路运算与放大单元，输出的模拟量电信号分别为F₁和F₂，有：

$F_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(13\right)$

$F_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}\right)---\left(14\right)$

硬补偿后的模拟量电信号F₁和F₂，经过模数转换单元，转换成数字量电信号；对于数字量电信号，若误差超过规定的阈值，再按以下方法进行软补偿：

硬补偿后的模拟量电信号F₁和F₂，经过模数转换单元，转换成数字量电信号；对于数字量电信号，若误差超过规定的阈值，则启动软补偿，进行自适应的补偿与调整；

最后，获得的数字量电信号进行大气偏振模式信息处理，得到大气偏振模式的偏振度信息d和偏振化方向信息φ，即：

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_0\right)}{(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_0\right)}\right)---\left(15\right)$

$d=\sqrt{{(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{((1-2{\stackrel{\‾}{F}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_0\right))}^2/\mathrm{si}{n}^2\left(2{\mathrm{\φ}}_0\right)}---\left(16\right)$

式(15)和式(16)中的F₁(φ)和F₂(φ)是式(13)和式(14)中的F₁(φ)和F₂(φ)由S型函数 $\stackrel{\‾}{F}\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{1}{{10}^{F\left(\mathrm{\φ}\right)}+1}$ 进行去对数处理后而得到。

参见图2，当两路模数转换单元A和B的检测数据中的误差超过规定的阈值时，启动软补偿，软补偿为自适应实时校准过程。首先，传感器以自体中心为轴，匀速旋转不少于360度，在旋转过程中，等间隔采样，获取两路模数转换单元的采样点数据，并对所有采样点数据进行统计与计算，分别计算出两路模数转换单元之间的信号总体误差影响因子，总体误差影响因子包括均值误差比和峰值误差比，在实际检测过程中利用总体误差影响因子对两路模数转换单元输出的数字量电信号进行自适应的实时补偿与调整，用以抵消由于传感器各通道逐级物理器件的信号响应与传输特性不同所造成的传感器各通道信号的漂移误差分量和幅值误差，以及由于传感器的物理噪声和环境光噪声所引起的随机噪声，提高模数转换单元所获得的数字量电信号的检测精度与稳定性。

图3所示为理想情况下传感器匀速旋转360度，进行连续采样下的传感器两路模数转换单元的输出结果。可以看出，在理想情况下，传感器匀速旋转360度，两路模数转换单元的结果是具有一定相位差的标准的余弦曲线，两路信号的始相差为φ₀＝φ₂₁-φ₁₁，图3及以下各图中均取初始相位差为60度。

图4所示是对图3所示的理想情况下传感器两路模数转换单元的输出结果进行大气偏振模式信息处理，得到大气偏振模式的偏振化方向信息φ的结果。由于大气偏振信息中的偏振化方向受天气、云层等影响较小，鲁棒性较好，偏振化方向可以用于机器人的自主导航中的方向定位，因此只讨论偏振化方向信息φ的结果，不讨论偏振度信息d的结果。可以看出理想情况下，传感器匀速旋转360度，偏振化方向信息φ的结果是斜率为1的四个周期的直线信号。

图5所示为传感器的一组实际检测结果，实验地点为合肥工业大学，时间为2008年9月27日15点至16点，天气晴好，无云，是传感器匀速旋转360度，进行每间隔5度采样下的传感器两路模数转换的输出结果，可以看出由于未对传感器进行任何的补偿和配准，由于四个通道中的偏振光感知器与光电转换器等物理器件的信号响应特性不一致所造成的加性漂移误差分量和

漂移误差分量再经过两路传输特性不完全相同的运算与放大单元后形成了放大后的漂移误差分量和

漂移误差分量使得传感器两路模数转换的输出结果偏离了零对称线。同时，由于此传感器中两路运算与放大单元的传输特性不完全相同，造成了传感器信号的乘性幅值误差，幅值误差使得传感器两路模数转换的输出结果的幅值不再相等。图5中，A路放大后的漂移误差分量

等于-202.7568毫伏，B路放大后的漂移误差分量

等于157.3681毫伏；A路和B路的幅值误差比等于0.8355，其中，理想状态下幅值误差比为1。

图6所示是对图5所示在未进行任何补偿策略下，传感器两路模数转换单元的输出结果，进行大气偏振模式信息处理，得到偏振化方向信息φ的结果。由传感器信号未进行任何的补偿，传感器信号中的误差分量严重影响了传感器的检测结果，未进行任何补偿的偏振化方向信息φ的检测结果与理论的检测结果相差较大，偏振化方向信息φ检测结果的绝对检测误差为1.2839度。

图7所示为传感器的一组实际检测结果，实验外部条件，包括地点、时间和天气情况同图5，传感器匀速旋转360度，进行每间隔5度采样，并在传感器信号处理中的运算与放大单元，对运算与放大单元采用硬补偿方法下的两路模数转换单元的输出结果。可以看出由于引入了硬补偿的方法，基本抵消了传感器输出结果中的漂移误差分量和幅值误差，图7中，A路残存的漂移误差分量为-11.1256毫伏，B路残存的漂移误差分量为14.2471毫伏；A路和B路残存的幅值误差比等于0.9883。

参见图8，是对图7所示在进行硬补偿策略下，传感器两路模数转换单元的输出结果，进行大气偏振模式信息处理，得到偏振化方向信息φ的结果。可以看出由于引入了硬补偿的粗调补偿策略，明显降低了检测结果的误差，传感器的偏振化方向信息φ的检测结果与理论的检测结果基本一致，偏振化方向信息φ检测结果的绝对检测误差为0.3597度。

参见图9和图10，是在图7和图8所示在硬补偿基础上，进行软补偿策略后的实验结果，可以看出由于在硬补偿的粗调补偿策略基础上，再引入了软补偿的自适应细调补偿策略，进一步降低了传感器输出结果误差，传感器的检测结果基本逼进理想状态下的输出结果，偏振化方向信息φ检测结果的绝对检测误差仅为0.2964度。

Claims (1)

1.四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法，其特征是按如下过程进行：

采用逐级信号处理的方法，首先，利用四通道大气偏振信息检测传感器，获得四个通道的偏振光信号分别是P₁₁、P₁₂、P₂₁和P₂₂，有：

P₁₁＝n₁₁I(1+d cos 2(φ-φ₁₁))  (1)

P₁₂＝n₁₂I(1+d cos 2(φ-φ₁₂))  (2)

P₂₁＝n₂₁I(1+d cos 2(φ-φ₂₁))  (3)

P₂₂＝n₂₂I(1+d cos 2(φ-φ₂₂))  (4)

式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中的n₁₁、n₁₂、n₂₁和n₂₂分别为所述传感器中四个通道的偏振感知器对特定波段光的传输响应系数，I为归一化光强系数，d为大气偏振模式中偏振度信息，φ为大气偏振模式中偏振化方向信息，即检测时刻的太阳方位角，φ₁₁、φ₁₂、φ₂₁和φ₂₂分别为四个通道的偏振感知器的起始偏振感知方向，且有：φ₁₂-φ₁₁＝π/2、φ₂₂-φ₂₁＝π/2、0＜φ₂₁-φ₁₁＜π/2；

所述四个通道的偏振感知器输出的偏振光信号P₁₁、P₁₂、P₂₁和P₂₂分别经光电转换器后输出的模拟量电信号分别是I₁₁、I₁₂、I₂₁和I₂₂，有：

I₁₁＝m₁₁P₁₁＝l₁₁I(1+d cos 2(φ-φ₁₁))  (5)

I₁₂＝m₁₂P₁₂＝l₁₂I(1+d cos 2(φ-φ₁₂))  (6)

I₂₁＝m₂₁P₂₁＝l₂₁I(1+d cos 2(φ-φ₂₁))  (7)

I₂₂＝m₂₂P₂₂＝l₂₂I(1+d cos 2(φ-φ₂₂))  (8)

式(5)、式(6)、式(7)和式(8)中的m₁₁、m₁₂、m₂₁和m₂₂分别为四个通道的光电转换器的传输响应系数，l₁₁＝m₁₁×n₁₁、l₁₂＝m₁₂×n₁₂、l₂₁＝m₂₁×n₂₁和l₂₂＝m₂₂×n₂₂为偏振感知器与光电转换器的合传输系数；

所述四个通道的光电转换器输出的模拟量电信号I₁₁、I₁₂、I₂₁和I₂₂，以两个通道为一组，分别经对数运算单元，输出的模拟量电信号分别是G₁和G₂，有：

$G_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{l_{11}}{l_{12}}\right)+\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(9\right)$

$G_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{l_{21}}{l_{22}}\right)+\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}\right)---\left(10\right)$

式(9)和式(10)中，0＜φ₀＝φ₂₁-φ₁₁＜π/2，

和

即是由于传感器中四个通道的偏振光感知器与光电转换器的信号响应特性不一致所造成的加性漂移误差分量；

所述两路对数运算单元输出的模拟量电信号G₁和G₂，分别经两路运算与放大单元，输出的模拟量电信号为F′₁和F′₂，有：

$F_1^{\′}\left(\mathrm{\φ}\right)=k_1\log \left(\frac{l_{11}}{l_{12}}\right)+k_1\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(11\right)$

$F_2^{\′}\left(\mathrm{\φ}\right)=k_2\log \left(\frac{l_{21}}{l_{22}}\right)+k_2\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}\right)---\left(12\right)$

式(11)和式(12)中，k₁和k₂分别为两路运算与放大单元的传输响应系数，k₁和k₂的不同造成了运算与放大单元后输出的模拟量电信号存在乘性幅值误差，

和

就是运算与放大单元后输出模拟量电信号中的被放大了的加性漂移误差分量；

针对加性漂移误差分量和乘性幅值误差，按以下方式进行硬补偿：

所述硬补偿是在运算与放大过程中，调节两路运算与放大单元中的放大反馈参数，用以补偿两路运算与放大单元中由于k₁和k₂的不同所造成的乘性幅值误差，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号的幅值相等；在运算与放大过程中，调节两路运算与放大单元中的基准电平信号，用以补偿

和

所造成的加性漂移误差分量，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号最大最小值调谐至零对称，经过硬补偿后的两路运算与放大单元输出的模拟量电信号分别为F₁和F₂，有：

$F_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(13\right)$

$F_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_0)}\right)---\left(14\right)$

硬补偿后的模拟量电信号F₁和F₂，经过模数转换单元，转换成数字量电信号；对于所述数字量电信号，若误差超过规定的阈值，再按以下方法进行软补偿：

所述软补偿是当检测数据中的误差超过规定的阈值时，则启动软补偿，所述软补偿为自适应实时校准过程，首先，传感器以自体中心为轴，匀速旋转不少于360度，在旋转过程中等间隔采样，获取两路模数转换单元的采样点数据，并对所有采样点数据进行统计与计算，分别计算出两路模数转换单元之间的信号总体误差影响因子，总体误差影响因子包括均值误差比和峰值误差比，在实际检测过程中利用总体误差影响因子对两路模数转换单元输出的数字量电信号进行自适应的实时补偿与调整，用以抵消由于传感器各通道逐级物理器件的信号响应与传输特性不同所造成的传感器各通道信号的漂移误差分量和幅值误差，以及由于传感器的物理噪声和环境光噪声所引起的随机噪声，提高模数转换单元所获得的数字量电信号的检测精度与稳定性；

最后，获得的数字量电信号进行大气偏振模式信息处理，得到大气偏振模式的偏振度信息d和偏振化方向信息φ，即：

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_0\right)}{(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\sin \left({2\mathrm{\φ}}_0\right)}\right)---\left(15\right)$

$d=\sqrt{{(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{((1-2{\stackrel{\‾}{F}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{F}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_0\right))}^2/{\sin }^2\left(2{\mathrm{\φ}}_0\right)}---\left(16\right)$

式(15)和式(16)中的F₁(φ)和F₂(φ)是式(13)和式(14)中的F₁(φ)和F₂(φ)由S型函数 $\stackrel{\‾}{F}\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{1}{{10}^{F\left(\mathrm{\φ}\right)}+1}$ 进行去对数处理后而得到。

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