CN108286966B - 一种自适应多光谱偏振导航传感器及其定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应多光谱偏振导航传感器及其定向方法，包括光学镜头、镜头座、多相位偏振模组、CMOS图像传感器、底座和自适应偏振信息解算模块；所述光学镜头为小视场角的长焦镜头，配合多相位偏振模组提高传感器的集成度；CMOS图像传感器由单色星光级感光芯片和微阵列滤光片结构组成；CMOS图像传感器作为偏振信息采集模块与自适应偏振信息解算模块集成在一块电路板上组成自适应偏振信息采集解算模块，根据传感器采集的数据，结合本发明定向算法，为组合导航系统提供航向角信息；并可以通过不同光谱对应的像素通道分离，分别解算不同光谱下的偏振信息，解决现有偏振导航传感器采样波段单一，环境适应性差的缺点，具有精度高、集成度高、性能可靠的优点。

Description

一种自适应多光谱偏振导航传感器及其定向方法

技术领域

本发明涉及一种自适应多光谱偏振导航传感器及其定向方法，可以同时采集不同波段的偏振信息用于导航解算，可应用于偏振组合导航，提高导航系统的集成度和环境适应性。

背景技术

在动物的定向和导航过程中，大多都会依赖一种或多种感官信息，可能是太阳或者星星的位置，地球的磁场或者气味等。其中，大气的偏振信息也是动物们可以利用的一种稳定的导航信息。很多昆虫都可以利用其实现觅食、归巢过程中的导航，近年来发现在脊椎动物中，也有一部分可以利用大气偏振信息作为导航信息，如一些鱼类，鸟类和蝙蝠等。在进一步地对生物进行行为学和解剖学实验的过程中发现，在不同环境中的生物利用的偏振光波段也不尽相同。譬如田野蟋蟀感受蓝光波段偏振光，鳃金龟感受绿光波段偏振光，沙蚁等感受紫外波段偏振光，蜣螂甚至可以利用月光偏振导航。于是人们从昆虫的复眼结构和功能出发，开始研制可以检测偏振光并解算导航信息的偏振检测传感器。

本发明就是基于CMOS图像检测传感器技术和微透镜阵列技术，采集不同波段的偏振信息用于偏振组合导航系统。现有的仿生偏振传感器主要是基于沙蚁复眼神经元模型，将偏振光的光强信息转化为电信号从而进行解算。中国专利号为201010203062.4的导航传感器的微型偏振光检测装置利用卫星金属光栅作为检偏器件，在器件上小型化，提高了传感器精度。中国专利号为201610076299.8的基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪及其方法中，提出了利用透镜改变光路，使光电探测器接收到的光线更纯净，同时利用分光棱镜减小正交误差。中国专利号为201610030055.6的一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法中利用四个CCD相机作为偏振采集装置，搭载四个广角镜头和偏振片，增加采样点，提高传感器精度。但是以上专利都没有考虑到不同颜色波段的光线对偏振信息的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，设计一种自适应多光谱偏振导航传感器及其定向方法，采用星光级CMOS图像传感器和微透镜滤光片阵列组成偏振信息采集模块，通过星光级CMOS芯片提高传感器对光强的敏感度，充分利用偏振光信息并提高传感器的环境适应性。

本发明的技术方案是：一种自适应多光谱偏振导航传感器，包括光学镜头、镜头座、多相位偏振模组、自适应偏振信息采集解算模块和底座；光学镜头和镜头座为标准C接口，可以相互连接；镜头座用螺丝通过第一螺丝口与自适应偏振信息采集解算模块固定；自适应偏振信息采集解算模块用螺丝通过第二螺丝口固定；光学镜头为小视场角的长焦镜头，缩小传感器视角可以在一定程度上抑制环境杂光，抑制反射光和折射光的影响；根据偏振解算原理，至少需要3个不同相位的偏振片进行采集解算，以四相位偏振模组为例，令偏振化方向分别为0°，45°，90°，135°，即可通过四个方程求解偏振度和偏振方位角；自适应偏振信息采集解算模块包括CMOS图像传感器芯片、自适应偏振信息解算模块、天文年历查询模块和通讯接口；CMOS图像传感器芯片上面集成有微阵列滤光片，滤光波段包括紫外波段、蓝光波段、绿光波段和红光波段，通过对不同波段光谱通道分离，计算多光谱偏振信息，天文年历查询模块用于提供天文年历信息，计算标准太阳矢量；自适应偏振信息解算模块用于综合处理偏振数据和太阳信息，通讯接口便于接收控制信号并将解算数据传送给组合导航系统。

其中，在CMOS图像传感器芯片的中间，有一部分未覆盖偏振片和微阵列片，这部分可以用来作为外界光强检测芯片。

一种自适应多光谱偏振导航传感器的定向方法，利用所述的自适应多光谱偏振导航传感器，该定向方法包括以下步骤：

S1：对自适应多光谱偏振导航传感器进行光谱标定，利用传感器对不同波段光谱的响应，不同波段光谱包括紫外、蓝光、绿光和红光，标定出不同像素点对应滤镜的滤光波段，每个像素点的RAW数值分别记为

其中，上标U，B，G，R分别代表紫外、蓝光、绿光和红光波段，i,j代表像素点的像素坐标系下的坐标；

S2：以传感器平面为基准建立直角坐标系，标定四个偏振片的实际方向，用1，2，3，4分别代表偏振片方向为0°，45°，90°，135°通道；

S3：将不同颜色波段滤光片和不同方向偏振片下像素点的值分离出来，按照顺序重新排列，组成新的图像，紫外，蓝光，绿光和红光滤光片下的光强信息分别记作

其中(i＝1,2,3,4)代表四个不同的偏振通道；

S4：对新的图像进行中值滤波，去除噪声，最后求取均值作为偏振信息输出，紫外，蓝光，绿光和红光滤光片下的输出分别记为

为了解算偏振方位角，其中，对于紫外通道，可以利用下述计算方法：

令：

K＝[K_I K_Icos2α_i K_Isin2α_i]_4×3

其中

代表紫外输出通道矩阵，I代表实际输入光强，K_I是传感器参数，α_i代表四相位偏振模组的角度，大小取决于CMOS转换芯片的输入输出特性，

代表输入光强，由以上公式可得

的最小二乘估计

进而求得偏振方位角

结合传感器结构，还可以采用对立通道解算方法，对于紫外通道，具体算法如下：

其中

和

分别代表两组对立通道的输出，从而可以得到偏振方位角：

S5：求得偏振方位角后，根据大气偏振模式中太阳方位角A_s与偏振方位角

互余的关系可以得到载体与载体系下太阳矢量的夹角，最后根据天文年历查询模块查得导航系下太阳与正北的夹角，从而求得载体航向角。

其中，所述的独立通道和对立通道解算方法可以根据外界光强的变化来切换。

其中，其他光谱的通道算法与紫外通道一致，只需要标定出每个像素点对应的滤镜光谱波段，即可通过同一套算法解算不同光谱波段下的偏振信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：该偏振传感器设计采用星光级CMOS图像传感器芯片和微阵列滤光片组成偏振信息采集模块，高精度星光级CMOS芯片分辨率可以达到0.0001勒克斯，通过集成星光级CMOS芯片可以提高传感器对光强的敏感度，微阵列滤光片检测不同颜色波段的偏振光，从而充分利用偏振光信息并提高传感器的环境适应性。在镜头座底部安装四相位偏振模组，通过一个镜头产生多方向偏振光信息，减少传感器个数，提高集成度。

附图说明

图1为本发明一种自适应多光谱偏振导航传感器的上下二等轴测图；

图2为本发明定向算法流程图；

图3为本发明中微阵列滤光片示意图；

图4为本发明中四相位偏振模组示意图。

图中附图标记含义为：1为光学镜头，2为镜头座，3为第一螺丝口，4为自适应偏振信息采集解算模块，5为底座，6为第二螺丝口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，一种自适应多光谱偏振导航传感器，包括光学镜头1、镜头座2、多相位偏振模组、自适应偏振信息采集解算模块4和底座5；光学镜头1和镜头座2为标准C接口，可以相互连接；镜头座用螺丝通过第一螺丝口3与自适应偏振信息采集解算模块固定；自适应偏振信息采集解算模块用螺丝通过第二螺丝口6固定。光学镜头1为小视场角的长焦镜头，缩小传感器视角可以在一定程度上抑制环境杂光，比如反射光和折射光等的影响；根据偏振解算原理，至少需要3个不同相位的偏振片进行采集解算。本发明以四相位偏振模组为例说明解算过程。令偏振化方向分别为0°，45°，90°，135°，可以提供不同的偏振信息，提高传感器的集成度；长焦镜头可以获得较小的视场角，尽量保证在镜头观测的区域内偏振方位角的数值基本一致。镜头座2为标准C接口镜头座，方便与光学镜头1连接；镜头座通过第一螺丝口3与自适应偏振信息采集解算模块连接。四相位偏振模组放在镜头座2底部，CMOS图像传感器正上方。自适应偏振信息采集解算模块4集成了CMOS图像传感器、偏振信息采集解算电路、天文年历查询模块和通讯接口，天文年历查询模块用于计算导航系下太阳方位计算，通讯接口便于接收控制信号并将解算数据传送给组合导航系统；CMOS图像传感器使用星光级低照度的感光芯片，保证在环境光线较弱的情况下和紫外滤镜下的低亮度偏振信息也能够被很好地采集。自适应偏振信息采集解算模块通过第二螺丝口6与底座固定。

如图2所示，基于自适应多光谱偏振导航传感器的定向方法流程图，具体步骤如下：

S1：对自适应多光谱偏振导航传感器进行光谱标定，利用传感器对不同波段光谱(紫外、蓝光、绿光和红光)的响应，标定出不同像素点对应滤镜的滤光波段，每个像素点的RAW数值分别记为

其中，上标U，B，G，R分别代表紫外、蓝光、绿光和红光波段，i,j代表像素点的像素坐标系下的坐标。

S2：以传感器平面为基准建立直角坐标系，标定四个偏振片的实际方向。用1，2，3，4分别代表偏振片方向为0°，45°，90°，135°通道。

S3：将不同颜色波段滤光片和不同方向偏振片下像素点的值分离出来，按照顺序重新排列，组成新的图像；紫外，蓝光，绿光和红光滤光片下的光强信息分别记作

其中(i＝1,2,3,4)代表四个不同的偏振通道。

S4：对新的图像进行中值滤波，去除噪声，最后求取均值作为偏振信息输出，紫外，蓝光，绿光和红光滤光片下的输出分别记为

为了解算偏振方位角，以紫外通道为例，可以利用下述计算方法：

令：

K＝[K_I K_Icos2α_i K_Isin2α_i]_4×3

其中

代表紫外输出通道矩阵，I代表实际输入光强，K_I是传感器参数，大小取决于CMOS转换芯片的输入输出特性，

代表输入光强。由以上公式可得

的最小二乘估计

进而求得偏振方位角

结合传感器结构，还可以采用对立通道解算方法，仍以紫外通道为例，具体算法如下：

其中

和

分别代表两组对立通道的输出，从而可以得到偏振方位角：

S5：求得偏振方位角后，根据大气偏振模式中太阳方位角A_s与偏振方位角

互余的关系可以得到载体与载体系下太阳矢量的夹角，最后根据天文年历查询模块查得导航系下太阳与正北的夹角，从而求得载体航向角。

如图3所示的微阵列滤光片，其中R代表红色滤镜，G代表绿色滤镜，B代表蓝色滤镜，U代表紫外滤镜。中间空白区域作为光强检测区域。标定好滤镜的排列后，通过直接读取相应像素下的光电转化数值，用于偏振导航解算。

如图4所示，为本发明中利用的四相位偏振模组，α代表偏振片的检偏角度，分别为0°，45°，90°和135°，分为两组相互正交的检偏角度。在天空偏振光光强较大时，可以四个通道独立解算，当光强较弱时，可以通过模拟昆虫的复眼的偏振神经元模型，进行对立通道算法，增加对偏振的敏感度。

Claims (3)

1.一种自适应多光谱偏振导航传感器的定向方法，利用自适应多光谱偏振导航传感器，包括光学镜头(1)、镜头座(2)、多相位偏振模组、自适应偏振信息采集解算模块(4)和底座(5)；光学镜头(1)和镜头座(2)为标准C接口，相互连接；镜头座(2)用螺丝通过第一螺丝口(3)与自适应偏振信息采集解算模块固定；自适应偏振信息采集解算模块用螺丝通过第二螺丝口(6)固定；光学镜头(1)为小视场角的长焦镜头，缩小传感器视角在一定程度上抑制环境杂光，抑制反射光和折射光的影响；根据偏振解算原理，至少需要3个不同相位的偏振片进行采集解算，以四相位偏振模组为例，令偏振化方向分别为0°，45°，90°，135°，即可通过四个方程求解偏振度和偏振方位角；自适应偏振信息采集解算模块包括CMOS图像传感器芯片、自适应偏振信息解算模块、天文年历查询模块和通讯接口，CMOS图像传感器芯片上面集成有微阵列滤光片，滤光波段包括紫外波段、蓝光波段、绿光波段和红光波段，通过对不同波段光谱通道分离，计算多光谱偏振信息；天文年历查询模块用于提供天文年历信息，计算标准太阳矢量；自适应偏振信息解算模块用于综合处理偏振数据和太阳信息；通讯接口便于接收控制信号并将解算数据传送给组合导航系统；在CMOS图像传感器芯片的中间，有一部分未覆盖偏振片和微阵列滤光片，这部分用来作为外界光强检测芯片，其特征在于：该定向方法包括以下步骤：

S1：对自适应多光谱偏振导航传感器进行光谱标定，利用传感器对不同波段光谱的响应，不同波段光谱包括紫外、蓝光、绿光和红光，标定出不同像素点对应滤镜的滤光波段，每个像素点的RAW数值分别记为

其中，上标U，B，G，R分别代表紫外、蓝光、绿光和红光波段，i,j代表像素点的像素坐标系下的坐标；

S2：以传感器平面为基准建立直角坐标系，标定四个偏振片的实际方向，用1，2，3，4分别代表偏振片方向为0°，45°，90°，135°通道；

S3：将不同颜色波段滤光片和不同方向偏振片下像素点的值分离出来，按照顺序重新排列，组成新的图像，紫外，蓝光，绿光和红光滤光片下的光强信息分别记作

其中i＝1,2,3,4代表四个不同的偏振通道；

S4：对新的图像进行中值滤波，去除噪声，最后求取均值作为偏振信息输出，紫外，蓝光，绿光和红光滤光片下的输出分别记为

为了解算偏振方位角，其中，对于紫外通道，利用下述计算方法：

令：

K＝[K_I K_Icos2α_i K_Isin2α_i]_4×3

其中

代表紫外输出通道矩阵，I代表实际输入光强，K_I是传感器参数，α_i代表四相位偏振模组的角度，大小取决于CMOS转换芯片的输入输出特性，

代表输入光强，由以上公式可得

的最小二乘估计

进而求得偏振方位角

结合传感器结构，还采用对立通道解算方法，对于紫外通道，具体算法如下：

其中

和

分别代表两组对立通道的输出，从而得到偏振方位角：

S5：求得偏振方位角后，根据大气偏振模式中太阳方位角A_s与偏振方位角

互余的关系得到载体与载体系下太阳矢量的夹角，最后根据天文年历查询模块查得导航系下太阳与正北的夹角，从而求得载体航向角。

2.根据权利要求1所述的自适应多光谱偏振导航传感器的定向方法，其特征在于：独立通道和对立通道解算方法根据外界光强的变化来切换。

3.根据权利要求1所述的自适应多光谱偏振导航传感器的定向方法，其特征在于：其他光谱的通道算法与紫外通道一致，只需要标定出每个像素点对应的滤镜光谱波段，即可通过同一套算法解算不同光谱波段下的偏振信息。

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