CN103759725B - 一种基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法，首先，获取各通道偏振光强测量信息，并实现测量信息的对数处理；其次，利用对数处理结果判断得到与偏振化方向夹角最小的检偏方向（最近检偏方向）；基于最近检偏方向得到偏振方位角分布区间；最后，根据偏振方位角的分布区间，选择偏振方位角计算式，实现整个定义区间的偏振方位角计算。本发明具有精度高、稳定性好等优点，可用于基于光电测量的偏振导航系统的偏振方位角的确定。

Description

一种基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法，可用于提飞行器、移动机器人或地面车辆用偏振光导航系统或组合导航系统的偏振方位角解算精度。

背景技术

阳光在进入大气层之后，受到大气分子的散射作用产生了不同的偏振状态。1871年英国著名物理学家瑞利提出了瑞利散射定律，揭示了光线散射特性，随后人们基于瑞利散射定律获得了全空域大气偏振分布模式。大气偏振分布模式相对稳定，其中蕴涵着丰富的导航信息，自然界中很多生物都能够利用天空偏振光进行导航或辅助导航。沙蚁作为利用偏振光进行导航的生物代表，能够在离巢穴几百米的地方觅食，当发现食物后几乎沿着一条直线返回巢穴。沙蚁使用的偏振导航机制是一种非常有效的导航手段，具有无源、无辐射、隐蔽性好等特点,能够为复杂环境下的导航任务提供新的解决途径,如火星着陆、火星表面探测等,如何能像其它生物一样完美利用偏振光实现精确导航、定位,是21世纪导航技术发展的一个新方向。

大气偏振信息获取是实现偏振导航的必要前提，沙蚁能够实现偏振检测得益于复眼中能够敏感偏振光的对立结构。实际大气中由于云层、气溶胶、水滴等大颗粒物质的存在以及地面反射现象,导致大气偏振模式呈现出各种不理想的状态,这些非理想状态对光的偏振度影响较大，但对偏振化方向几乎没有影响,因此偏振方位角是能够用于仿生偏振导航的主要参数。近年来，人们通过模仿沙蚁复眼中的偏振对立结构，研制出了多种偏振传感器，提出了不同的大气偏振信息（偏振度、偏振方位角等）求解方法。合肥工业大学范志国等人首先提出了一种基于四通道偏振方位角计算方法，检偏方向分别为0和π/3，但由于偏振测量系统存在器件误差且在计算过程中会出现除零溢出问题,偏振方位角计算误差较大；随后，又有人提出了另一种四通道偏振方位角计算方法，检偏方向分别为0和π/4，偏振方位角计算精度有所提高，但计算过程中的除零溢出问题仍然存在；近年来，又有人提出了基于偏振检测阵列的偏振方位角计算方法，通过对天空中多个观测点偏振度进行拟合实现导航方向角计算，但由于偏振度受天气影响较大，实际测量精度难以保证,且该方法仅能用于二维导航。以上问题严重影响了偏振导航技术在工程实践中的应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法，通过预先处理六通道偏振传感器输出数据，确定偏振方位角分布区间，基于偏振方位角的分布区间，选择该区间内最优的偏振方位角计算式，提高了偏振方位角解算精度，增加了数值稳定性。

本发明的技术解决方案为：一种基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法,其特征实现步骤如下：

（1）利用六通道偏振传感器对被观测点光强的测量，并将测量数据进行对数处理，得到三组检偏单元测量数据的对数处理结果分别为P₁,P₂,P₃；

（2）基于以上对数处理结果P₁,P₂,P₃判断与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向所在组；

（3）判断与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向所在组两通道测量值对数处理结果的正负，确定检测光强最大检偏通道的检偏方向；

（4）基于光强最大检偏通道的检偏方向求取偏振方位角分布区间；

（5）根据偏振方位角分布区间选择最优的计算通道，构建偏振方位角分布区间与偏振方位角计算式的映射关系，实现偏振方位角的解算。

所述步骤（1）具体实现如下：

（11）每组检偏单元主检偏通道光前输出表示为：

其中，n∈{1,2,3}，I_n为第n组检测单元主检偏通道光强测量输出，I表示相对光功率，d表示偏振度，为偏振方位角， 为第n个检测单元的主检偏方向，K为与光敏元件的电气性能有关的常数；

与主检偏方向正交的次检偏通道输出表示为：

其中，I_7-n为第n组检测单元次检偏通道光强测量输出；

（12）每组检偏单元两通道两侧结果对数处理得：

其中，P_n为第n组检测单元两通道检测数据对出处理结果；

所用三组检偏单元主检偏方向分别为0,π/3,2π/3，则三组对数处理结果表示为：

其中，P₁,P₂,P₃分别为三组检偏单元对数处理结果，数字化后作为计算机解算偏振方位角的输入量。

所述步骤（2）基于以上对数处理数据判断与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向所在组具体实现如下：

若三组检偏单元测量数据的对数处理结果为P₁,P₂,P₃，取max(|P|)＝|P_n|，其中，P＝[P₁ P₂ P₃]，max()表示求解数组的最大值，||表示取绝对值，n∈{1,2,3}；若n＝1，则与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向在第一组检偏单元中；若n＝2，则与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向在第二组检偏单元中；若n＝3，则与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向在第三组检偏单元中；判断过程中若|P|中出现两个相等的最大值，则取前一个为最大值，若|P₁|＝|P₂|＞|P₃|，则max(|P|)＝|P₁|，若|P₁|＜|P₂|＝|P₃|，则max(|P|)＝|P₂|，若|P₂|＜|P₁|＝|P₃|，则max(|P|)＝|P₁|。

所述步骤（3）具体实现如下：

若|P_n|＝P_n，n∈{1,2,3}，则max(I)＝I_n，光强最大检偏通道的检偏方向为若|P_n|＝-P_n，则max(I)＝I_7-n，光强最大检偏通道的检偏方向为

其中，P_n为上一步骤中与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向所在组两通道测量值对数处理结果，n∈{1,2,3}，I＝[I₁ I₂ I₃ I₄ I₅ I₆]，I₁～I₆分别表示六个测量通道的测量值，I_n为第n组检偏单元主检偏通道测量值，I_7-n为第n组检偏单元次检偏通道测量值，为第n组检偏单元的主检偏方向，为第n组检偏单元的次检偏方向，分别为0,π/3,2π/3,π/6,5π/6,π/2。

所述步骤（4）基于光强最大检偏通道的检偏方向求取偏振方位角分布区间具体实现如下：

（41）若光强最大检偏通道的检偏方向为则

若光强最大检偏通道的检偏方向为则

其中，〈〉表示偏振方位角分布区间端点的开闭待定，基于三组检偏单元测量数据对数处理结果求取偏振方位角分布区间，区间端点处的取舍根据算法执行流程来确定，若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则当分布区间不在偏振方位角定义的范围内，根据偏振方位角的二义性，将分布区间转化到定义域内；

（42）若光强最大检偏通道的检偏方向为且n＝1，需对的取值范围进一步细化，即当|P₂|≥|P₃|时，

当|P₂|＜|P₃|时，

所述步骤（5）中的基于偏振方位角分布区间确定偏振方位角的计算式，得到偏振方位角分布区间与偏振方位角计算式的映射关系如下：

其中，C₁,C₂,C₃为偏振方位角计算过程中的中间变量，具体形式为 $C_1=\frac{{\stackrel{\‾}{P}}_1-{\stackrel{\‾}{P}}_2}{1-{\stackrel{\‾}{P}}_1-{\stackrel{\‾}{P}}_2},$ $C_2=\frac{{\stackrel{\‾}{P}}_2-{\stackrel{\‾}{P}}_3}{1-{\stackrel{\‾}{P}}_2-{\stackrel{\‾}{P}}_3},$ $C_3=\frac{{\stackrel{\‾}{P}}_1-{\stackrel{\‾}{P}}_3}{1-{\stackrel{\‾}{P}}_1-{\stackrel{\‾}{P}}_3},$ 为计算C₁,C₂,C₃用到的中间变量， ${\stackrel{\‾}{P}}_n=\frac{1}{{10}^{P_n}+1},n\∈\left\{\mathrm{1,2,3}\right\},$ 为偏振方位角。

本发明的原理是：光强测量与处理通道中包含大量模拟元件，导致偏振方位角解算模块的输入含有一定的输入误差，常用四通道偏振方位角计算方法，能够实现偏振方位角解算，但当偏振方位角计算模块存在输入误差时，偏振方位角的解算精度较低，且计算过程中存在除零溢出问题，常用方法的数值稳定性较低。本发明针对含有一定输入误差的偏振方位角解算系统；首先，利用天空偏振光振动面内各方向振动强度的椭圆分布特性，设计一种基于三组检偏单元测量数据对数处理结果的偏振方位角分布区间确定方法；然后，通过分析偏振方位角解算模块的输入误差与偏振方位角计算误差之间的误差传递特性，构建一种偏振方位角分布区间与偏振方位角计算式的映射关系；最后，基于偏振方位角分布区间与偏振方位角计算式的映射关系实现偏振方位角的解算。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明根据部分偏振光的光强分布特性，设计了基于三组检偏单元测量数据对数处理结果的偏振方位角分布区间确定方法，直接用偏振方位角解算模块（偏振方位角计算模块是指以偏振传感器对数处理结果为输入，偏振方位角为输出的软硬件结构的总称）的输入判断偏振方位角分布区间，提高判断结果的准确性，避免了后续计算过程中的二义性判别。

（2）通过分析常用四通道解算模块的输入误差与偏振方位角计算误差之间的误差传递特性，构建偏振方位角分布区间与偏振方位角计算式的映射关系，通过分段计算，相同输入误差条件下，明显提高了偏振方位角的解算精度；同时克服了四通道计算方法计算过程中的除零溢出问题，提高了偏振方位角计算方法的数值稳定性。

附图说明

图1为本发明的设计流程图；

图2为本发明涉及的偏振方位角示意图；

图3为本发明所用的六通道偏振传感器结构示意图；

图4为本发明中偏振方位角分布区间判断流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体实现步骤如下：

1、获取六通道偏振传感器三组检偏单元测量数据的对数处理结果：

主检偏通道光强测量输出可表示为：

其中，n∈{1,2,3}，为第n组检测单元主检偏通道光强测量输出，I表示相对光功率，d表示偏振度，为偏振方位角，如图2所示，以偏振传感器为基准建立模块坐标系M,模块坐标系x轴与y轴所在平面为传感器安装平面,z轴方向服从右手定则指向被观测点方向，P为被观测点，PE为被观测点偏振化方向，ME′为偏振化方向在模块坐标系下的投影，ME′与模块坐标系x轴的夹角为偏振方位角；为第n个检测单元的主检偏方向，如图3所示，a,b,c为六通道偏振传感器的三组检偏单元，1～6为六个检偏通道，1～3为主检偏通道，4～6为次检偏通道，圆中的短线为检偏方向，检偏单元主、次检偏方向相互正交；K为与光敏元件的电气性能有关的常数。

与主检偏方向正交的次检偏通道输出表示为：

其中，为第n组检测单元次检偏通道光强测量输出。

则两路检测数据对数放大处理得：

其中，为第n组检测单元两通道检测数据对出处理结果。

本发明所用三组检偏单元主检偏方向分别为0,π/3,2π/3，则三组对数处理结果可表示为：

2、基于三组检偏单元测量数据对数处理结果求取偏振方位角分布区间，判断流程如图4所示：

max(|P|)＝|P_n|

其中，P＝[P₁ P₂ P₃]，max()表示求解数组的最大值，||表示取绝对值，n∈{1,2,3}；若n＝1，则与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向在第一组检偏单元中；若n＝2，则与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向在第二组检偏单元中；若n＝3，则与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向在第三组检偏单元中；判断过程中若|P|中出现两个相等的最大值，则取前一个为最大值，若|P₁|＝|P₂|＞|P₃|，则max(|P|)＝|P₁|，若|P₁|＜|P₂|＝|P₃|，则max(|P|)＝|P₂|，若|P₂|＜|P₁|＝|P₃|，则max(|P|)＝|P₁|;

若|P_n|＝P_n，则max(I)＝I_n，光强最大检偏通道的检偏方向为若|P_n|＝-P_n，则max(I)＝I_7-n，光强最大检偏通道的检偏方向为

其中，P_n为上一步骤中与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向所在组两通道测量值对数处理结果，n∈{1,2,3}，I＝[I₁ I₂ I₃ I₄ I₅ I₆]，I₁～I₆分别表示六个测量通道的测量值，I_n为第n组检偏单元主检偏通道测量值，I_7-n为第n组检偏单元次检偏通道测量值，为第n组检偏单元的主检偏方向，为第n组检偏单元的次检偏方向，分别为0,π/3,2π/3,π/6,5π/6,π/2；

若光强最大检偏通道的检偏方向为则

若光强最大检偏通道的检偏方向为则

其中，〈〉表示偏振方位角分布区间端点的开闭待定，基于三组检偏单元测量数据对数处理结果求取偏振方位角分布区间，区间端点处的取舍根据算法执行流程来确定，若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则当分布区间不在偏振方位角定义的范围内，根据偏振方位角的二义性，可将分布区间转化到定义域内。

若光强最大检偏通道的检偏方向为且n＝1，需对的取值范围进一步细化；当|P₂|≥|P₃|时，

当|P₂|＜|P₃|时，

3、根据偏振方位角的分布区间，选择最优偏振方位角计算式：

偏振方位角分布区间与偏振方位角计算式有如下映射关系：

其中，C₁,C₂,C₃为偏振方位角计算过程中的中间变量，具体形式为 $C_1=\frac{{\stackrel{\‾}{P}}_1-{\stackrel{\‾}{P}}_2}{1-{\stackrel{\‾}{P}}_1-{\stackrel{\‾}{P}}_2},$ $C_2=\frac{{\stackrel{\‾}{P}}_2-{\stackrel{\‾}{P}}_3}{1-{\stackrel{\‾}{P}}_2-{\stackrel{\‾}{P}}_3},$ $C_3=\frac{{\stackrel{\‾}{P}}_1-{\stackrel{\‾}{P}}_3}{1-{\stackrel{\‾}{P}}_1-{\stackrel{\‾}{P}}_3},$ 为计算C₁,C₂,C₃用到的中间变量， ${\stackrel{\‾}{P}}_n=\frac{1}{{10}^{P_n}+1},n\∈\left\{\mathrm{1,2,3}\right\},$ 为偏振方位角。

Claims (6)

1.一种基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法,其特征在于实现步骤如下：

(1)利用六通道偏振传感器对被观测点光强的测量，并将测量数据进行对数处理，得到三组检偏单元测量数据的对数处理结果分别为P₁,P₂,P₃；

(2)基于以上对数处理结果P₁,P₂,P₃判断与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向所在组；

(3)判断与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向所在组两通道测量值对数处理结果的正负，确定检测光强最大检偏通道的检偏方向；

(4)基于光强最大检偏通道的检偏方向求取偏振方位角分布区间；

(5)根据偏振方位角分布区间选择最优的计算通道，构建偏振方位角分布区间与偏振方位角计算式的映射关系，实现偏振方位角的解算。

2.根据权利要求1所述的基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法，其特征在于：所述步骤(1)具体实现如下：

(11)每组检偏单元主检偏通道光强输出表示为：

其中，n∈{1,2,3}，I_n为第n组检测单元主检偏通道光强测量输出，I表示相对光功率，d表示偏振度，为偏振方位角， 为第n个检测单元的主检偏方向，K为与光敏元件的电气性能有关的常数；

与主检偏方向正交的次检偏通道输出表示为：

其中，I_7-n为第n组检测单元次检偏通道光强测量输出；

(12)每组检偏单元两通道检测结果对数处理得：

其中，P_n为第n组检测单元两通道检测数据对数处理结果；

所用三组检偏单元主检偏方向分别为0,π/3,2π/3，则三组对数处理结果表示为：

其中，P₁,P₂,P₃分别为三组检偏单元对数处理结果，数字化后作为计算机解算偏振方位角的输入量。

3.根据权利要求1所述的基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法，其特征在于：所述步骤(2)基于以上对数处理数据判断与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向所在组具体实现如下：

若三组检偏单元测量数据的对数处理结果为P₁,P₂,P₃，取max(|P|)＝|P_n|，其中，P＝[P₁ P₂ P₃]，max()表示求解数组的最大值，||表示取绝对值，n∈{1,2,3}；若n＝1，则与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向在第一组检偏单元中；若n＝2，则与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向在第二组检偏单元中；若n＝3，则与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向在第三组检偏单元中；判断过程中若|P|中出现两个相等的最大值，则取前一个为最大值，若|P₁|＝|P₂|>|P₃|，则max(|P|)＝|P₁|，若|P₁|<|P₂|＝|P₃|，则max(|P|)＝|P₂|，若|P₂|<|P₁|＝|P₃|，则max(|P|)＝|P₁|。

4.根据权利要求1所述的基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法，其特征在于：所述步骤(3)具体实现如下：

若|P_n|＝P_n，n∈{1,2,3}，则max(I)＝I_n，光强最大检偏通道的检偏方向为若|P_n|＝-P_n，则max(I)＝I_7-n，光强最大检偏通道的检偏方向为

其中，P_n为上一步骤中与被测量点偏振化方向夹角最小的检偏方向所在组两通道测量值对数处理结果，n∈{1,2,3}，I＝[I₁ I₂ I₃ I₄ I₅ I₆]，I₁～I₆分别表示六个测量通道的测量值，I_n为第n组检偏单元主检偏通道测量值，I_7-n为第n组检偏单元次检偏通道测量值，为第n组检偏单元的主检偏方向，为第n组检偏单元的次检偏方向，分别为0,π/3,2π/3,π/6,5π/6,π/2。

5.根据权利要求1所述的基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法，其特征在于：所述步骤(4)基于光强最大检偏通道的检偏方向求取偏振方位角分布区间具体实现如下：

(41)若光强最大检偏通道的检偏方向为则

若光强最大检偏通道的检偏方向为则

其中，〈〉表示偏振方位角分布区间端点的开闭待定，基于三组检偏单元测量数据对数处理结果求取偏振方位角分布区间，区间端点处的取舍根据算法执行流程来确定，若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则若光强最大检偏通道的检偏方向为则当分布区间不在偏振方位角定义的范围内，根据偏振方位角的二义性，将分布区间转化到定义域内；

(42)若光强最大检偏通道的检偏方向为且n＝1，需对的取值范围进一步细化，即当|P₂|≥|P₃|时，

当|P₂|<|P₃|时，

6.根据权利要求1所述的基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法，其特征在于：所述步骤(5)中的基于偏振方位角分布区间确定偏振方位角的计算式，得到偏振方位角分布区间与偏振方位角计算式的映射关系如下：

其中，C₁,C₂,C₃为偏振方位角计算过程中的中间变量，具体形式为 为计算C₁,C₂,C₃用到的中间变量， 为偏振方位角。