CN109253802A - 一种仿生导航多光谱偏振同步采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生导航多光谱偏振同步采集系统及方法。该系统包括一个2×2的偏振信息检测传感器阵列，配备四种不同的光学镜头，分别为可见光镜头、红外镜头、紫光镜头和蓝光镜头。方法为：通过光学镜头提取检测区域光波中固定波段的光信息，通过分光镜分成三路相同的光波传输给偏振摄像机，转化为具有设定偏振方向的偏振光；对三路偏振图像进行灰度处理得到三组光强信息；对三路光强信息进行融合，得到检测区域内固定波段偏振光的Stokes矢量；计算检测区域内固定波段偏振光的偏振度和偏振方向；同时进行四个波段的偏振特性检测，实现对各波段的光谱信息检测。本发明结构简单、检测精度高、可实时并行的检测偏振图像并进行特性分析。

Description

一种仿生导航多光谱偏振同步采集系统及方法

技术领域

本发明属于仿生偏振光导航技术领域，特别是一种仿生导航多光谱偏振同步采集系统及方法。

背景技术

偏振是大自然中的一种常见现象，反映了光波沿振动方向随时间的变化规律。无偏的太阳光在进入大气的过程中会受到各种气固液粒子所造成的散射、辐射和吸收作用的影响，使其强度、传输方向和偏振状态发生变化，即为偏振现象。而偏振光在大气中所产生的特殊的偏振态分布，称之为大气偏振模式。大气偏振模式中蕴含了丰富的空间方位、地表特征以及大气层结构参数等信息，在大气环境监测、偏振光导航和遥感探测等领域具有重要的研究意义和发展前景。此外，物体的反射作用也会改变光的偏振特性，且物体的物理属性和结构不同，对光的偏振状态的影响也不相同，所以，偏振光的这种特性在目标检测与识别领域具有广泛的应用价值。

偏振光技术中最热门的研究领域属仿生导航，仿生偏振光导航是一种通过模仿沙蚁、蝗虫等生物所具有的特殊视神经系统，来检测天空中的偏振信息进行导航定位的方法。仿生偏振光导航是一种天然的导航方法，其很难受人为因素的干扰，属被动式导航，隐蔽性好，不受电磁干扰，具有传统导航方法所不具有的优势。然而，仿生偏振光导航所以来的大气偏振特性会受到天气变化的影响，因此，探测各天气情况下的大气偏振特性也是至关重要的。

但目前已有的偏振信息检测传感器多采用三通道或四通道并行排列共同采集检测区域偏振光信息的方式，由于不同检测通道的检测区域无法重叠，因此，在进行各通道融合计算的过程中会产生误差，进而影响检测精度；且目前的偏振信息检测传感器每次只能检测一种波段的偏振光信息，功能有限，改变检测波段时需要更换光学器件，使用不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、检测精度较高、可实时并行的仿生导航多光谱偏振同步采集系统及方法，以满足对特殊波段下偏振光特性的研究。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种仿生导航多光谱偏振同步采集系统，整个系统包括一个2×2的偏振信息检测传感器阵列，以及传感器阵列安装架；

所述的四路偏振信息检测传感器配备四种不同的光学镜头，分别为可见光镜头、红外镜头、紫光镜头和蓝光镜头；其中紫光镜头和蓝光镜头分别为在可见光镜头前加装紫色滤光片和蓝色滤光片；所述的四种光学镜头实现对可见光波段、红外波段、紫光波段和蓝光波段的光谱信息检测。

进一步地，所述的传感器阵列安装架采用木质材料，该传感器阵列安装架相对的两个侧面共加工有四对安装孔和排线口，其中，安装孔用于固定偏振信息检测传感器，排线口则用于引出偏振信息检测传感器的电源线和对外网口。

进一步地，所述每个偏振信息检测传感器分别包括光谱-偏振成像模块、数据通信模块、数据处理模块、电路模块和传感器安装结构模块，其中：

所述的光谱-偏振成像模块负责采集特定波段的偏振信息图像；

所述的数据处理模块负责处理偏振信息图像，完成光谱-偏振特性分析；

所述的数据通信模块负责光谱-偏振成像模块、数据处理模块以及外部接口间的数据传输；

所述的电路模块负责对偏振信息检测传感器内部的其他模块进行供电；

所述传感器安装结构模块负责固定安装其他各模块。

进一步地，所述光谱-偏振成像模块包括第一分光镜、第二分光镜，以及第一～三偏振摄像机，第一分光镜、第二分光镜对通过偏振信息检测传感器中光学镜头的光波进行两次分光，将一束光分成三束光学信息相同的光；第一～三偏振摄像机镜头前分别安装有0°、45°和90°的偏振片，用以接收通过所述分光镜的三束光学信息相同的光，并提取特定波段的光波偏振信息。

进一步地，所述数据处理模块采用ARM处理板，用于驱动第一～三偏振摄像机采集偏振图像，并对图像信息进行存储和数据处理。

进一步地，所述的数据通信模块包括路由器、WIFI天线、外接网口和四根网线，其中，四根网线分别将第一～三偏振摄像机和ARM处理板自带的网口A连接到所述的路由器上，实现了对三通道偏振信息的并行实时采集；所述的ARM处理板自带网口B作为整个偏振信息检测传感器的外接网口，通过外接网口导出ARM处理板存储的数据结果；所述的ARM处理板配有WIFI模块，通过WIFI天线将外部计算机接入无线网络信号，用于查看ARM处理板内的数据结果。

进一步地，所述电路模块包括五根电源线、一个接线端子排和一个对外电源接口，所述的五根电源线分别将第一～三偏振摄像机、路由器和ARM处理板连接到接线端子排上，再从所述的接线端子排上引出一根电线与对外电源接口相连，通过所述的对外电源接口与外部电源相连，实现了对偏振信息检测传感器内部各模块的集中供电。

进一步地，所述传感器安装结构模块是偏振信息检测传感器的外壳结构，包括壳体、光学镜头安装螺纹、分光镜安装槽、偏振摄像机安装架、路由器固定槽、ARM处理板安装孔、接线端子排安装孔、传感器外部接口槽和传感器安装螺孔，其中：所述的壳体为整个偏振信息检测传感器外壳，所有的安装结构均加工在壳体的内外侧，壳体形状为长方体；所述的光学镜头安装螺纹位于壳体的外侧，所述的光学镜头旋转固定在壳体上；所述的分光镜安装槽位于壳体内部，共计两个，分别将第一分光镜、第二分光镜嵌入其中；所述偏振摄像机安装架共三对，且每对均加工有两个安装孔，通过螺柱分别将第一～三偏振摄像机固定在壳体内部；所述的路由器固定槽用于嵌入路由器；所述的ARM处理板安装孔为四个螺孔，每个螺孔均与ARM处理板四个角的安装孔一一对应，用铜柱固定ARM处理板；所述的接线端子排安装孔同为四个螺孔，用于固定接线端子排的四个角；所述的传感器外部接口槽位于壳体的外侧，包括一个矩形的网口槽，一个圆形的电源接口槽和一个WIFI天线安装槽，其加工面与光学镜头安装螺纹面相对；所述的传感器安装螺孔位于光学镜头安装螺纹面的相邻面上，用于将偏振信息检测传感器固定在所述的传感器阵列安装架上。

一种基于上述任一仿生导航多光谱偏振同步采集系统的仿生导航多光谱偏振同步采集方法，包括以下步骤：

步骤1，将四路偏振信息检测传感器配备四种不同的光学镜头，分别为可见光镜头、红外镜头、紫光镜头和蓝光镜头；通过光学镜头提取检测区域光波中固定波段的光信息，再将提取到的光信息通过分光镜分成三路相同的光波传输给偏振摄像机，并由偏振摄像机镜头前的偏振片将传输过来的光波转化为具有设定偏振方向的偏振光；

步骤2，偏振摄像机采集三路偏振图像，对采集到的三路偏振图像进行灰度处理，分别得到在0°、45°和90°偏振检测通道下的三组光强信息I(0°)、I(45°)、I(90°)；

步骤3，三路光强信息融合，即代入光强信息计算检测区域偏振光的Stokes矢量S＝(I,Q,U,V)^T，如下所示：

其中，I为辐射光强，Q和U分别表示两个方向上的线偏振光，V表示圆偏振光；

步骤4，偏振特性检测，通过Stokes矢量各分量计算检测区域内固定波段偏振光的偏振度d和偏振方向ψ为：

步骤5，同时进行四个波段的偏振特性检测，实现对可见光波段、红外波段、紫光波段和蓝光波段的光谱信息检测。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用分光镜在传感器内部进行二次分光，可将光学镜头观测到的画面同时传给三路偏振摄像机，实现了三台摄像机同时采集相同检测区域的光谱-偏振图像，提高了图像融合处理的准确度；(2)RAM处理板通过一台小型路由器与三路偏振摄像机同时连接，可同时驱动三台摄像机采集光谱-偏振图像，并实时地读取和处理图像，实现了整个系统的并行实时操作，系统结构简单，精度较高；(3)系统采用网口进行数据通信，可实现数据的快速传输；通过传感器的外接网口或WIFI天线访问RAM处理板的系统，易于操作，方便快捷地查看数据结果；(4)可同时进行多个波段的偏振特性检测，功能更强，特别适合进行不同天气状况下的多光谱-偏振特性分析，更有利于仿生偏振导航领域的研究。

附图说明

图1为本发明仿生导航多光谱偏振同步采集系统的结构示意图。

图2为偏振信息检测传感器的结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为后视图。

图3为偏振信息检测传感器的内部结构示意图。

图4为光谱-偏振特性检测实验结果图，其中(a)为蓝光波段下的偏振度结果图，(b)为蓝光波段下的偏振方向结果图。

具体实施方式

结合图1～3，本发明仿生导航多光谱偏振同步采集系统，整个系统包括一个2×2的偏振信息检测传感器阵列，以及传感器阵列安装架；

所述的四路偏振信息检测传感器配备四种不同的光学镜头，分别为可见光镜头、红外镜头、紫光镜头和蓝光镜头；其中紫光镜头和蓝光镜头分别为在可见光镜头前加装紫色滤光片和蓝色滤光片；所述的四种光学镜头实现对可见光波段、红外波段、紫光波段和蓝光波段的光谱信息检测。

进一步地，所述的传感器阵列安装架采用木质材料，利于加工，可减轻整个设备的质量。该传感器阵列安装架相对的两个侧面共加工有四对安装孔和排线口，其中，安装孔用于固定偏振信息检测传感器，排线口则用于引出偏振信息检测传感器的电源线和对外网口。

进一步地，所述每个偏振信息检测传感器分别包括光谱-偏振成像模块、数据通信模块、数据处理模块、电路模块和传感器安装结构模块，其中：

所述的光谱-偏振成像模块负责采集特定波段的偏振信息图像；

所述的数据处理模块负责处理偏振信息图像，完成光谱-偏振特性分析；

所述的数据通信模块负责光谱-偏振成像模块、数据处理模块以及外部接口间的数据传输；

所述的电路模块负责对偏振信息检测传感器内部的其他模块进行供电；

所述传感器安装结构模块负责固定安装其他各模块。

结合图3，所述光谱-偏振成像模块包括第一分光镜1、第二分光镜2，以及第一～三偏振摄像机3、4、5，第一分光镜1、第二分光镜2对通过偏振信息检测传感器中光学镜头12的光波进行两次分光，将一束光分成三束光学信息相同的光；第一～三偏振摄像机3、4、5镜头前分别安装有0°、45°和90°的偏振片，用以接收通过所述分光镜的三束光学信息相同的光，并提取特定波段的光波偏振信息。

进一步地，所述数据处理模块采用ARM处理板7，将系统软件烧入所述的ARM处理板7，用于驱动第一～三偏振摄像机3、4、5采集偏振图像，并对图像信息进行存储和数据处理，上述ARM处理板内的系统环境为Ubuntu 12.04。

进一步地，所述的数据通信模块包括路由器6、WIFI天线9、外接网口10和四根网线，其中，四根网线分别将第一～三偏振摄像机3、4、5和ARM处理板7自带的网口A连接到所述的路由器6上，实现了对三通道偏振信息的并行实时采集；所述的ARM处理板7自带网口B作为整个偏振信息检测传感器的外接网口10，通过外接网口10导出ARM处理板7存储的数据结果；所述的ARM处理板7配有WIFI模块，通过WIFI天线9将外部计算机接入无线网络信号，用于查看ARM处理板7内的数据结果。

进一步地，所述电路模块包括五根电源线、一个接线端子排8和一个对外电源接口11，所述的五根电源线分别将第一～三偏振摄像机3、4、5、路由器6和ARM处理板7连接到接线端子排8上，再从所述的接线端子排8上引出一根电线与对外电源接口11相连，通过所述的对外电源接口11与外部电源相连，实现了对偏振信息检测传感器内部各模块的集中供电。

进一步地，所述传感器安装结构模块是偏振信息检测传感器的外壳结构，包括壳体13、光学镜头安装螺纹、分光镜安装槽、偏振摄像机安装架、路由器固定槽、ARM处理板安装孔、接线端子排安装孔、传感器外部接口槽和传感器安装螺孔，其中：所述的壳体13为整个偏振信息检测传感器外壳，所有的安装结构均加工在壳体13的内外侧，壳体13形状为长方体；所述的光学镜头安装螺纹位于壳体13的外侧，所述的光学镜头12旋转固定在壳体13上；所述的分光镜安装槽位于壳体内部，共计两个，分别将第一分光镜1、第二分光镜2嵌入其中；所述偏振摄像机安装架共三对，且每对均加工有两个安装孔，通过螺柱分别将第一～三偏振摄像机3、4、5固定在壳体内部；所述的路由器固定槽用于嵌入路由器6；所述的ARM处理板安装孔为四个螺孔，每个螺孔均与ARM处理板7四个角的安装孔一一对应，用铜柱固定ARM处理板7；所述的接线端子排安装孔同为四个螺孔，用于固定接线端子排8的四个角；所述的传感器外部接口槽位于壳体13的外侧，包括一个矩形的网口槽，一个圆形的电源接口槽和一个WIFI天线安装槽，其加工面与光学镜头安装螺纹面相对；所述的传感器安装螺孔位于光学镜头安装螺纹面的相邻面上，用于将偏振信息检测传感器固定在所述的传感器阵列安装架上。

一种基于上述任一仿生导航多光谱偏振同步采集系统的仿生导航多光谱偏振同步采集方法，包括以下步骤：

步骤1，将四路偏振信息检测传感器配备四种不同的光学镜头，分别为可见光镜头、红外镜头、紫光镜头和蓝光镜头；通过光学镜头提取检测区域光波中固定波段的光信息，再将提取到的光信息通过分光镜分成三路相同的光波传输给偏振摄像机，并由偏振摄像机镜头前的偏振片将传输过来的光波转化为具有设定偏振方向的偏振光；

步骤2，偏振摄像机采集三路偏振图像，对采集到的三路偏振图像进行灰度处理，分别得到在0°、45°和90°偏振检测通道下的三组光强信息I(0°)、I(45°)、I(90°)；

步骤3，三路光强信息融合，即代入光强信息计算检测区域偏振光的Stokes矢量S＝(I,Q,U,V)^T，如下所示：

其中，I为辐射光强，Q和U分别表示两个方向上的线偏振光，V表示圆偏振光；

步骤4，偏振特性检测，通过Stokes矢量各分量计算检测区域内固定波段偏振光的偏振度d和偏振方向ψ为：

步骤5，同时进行四个波段的偏振特性检测，实现对可见光波段、红外波段、紫光波段和蓝光波段的光谱信息检测。

下面结合附图及具体的实施例对本发明做进一步详细介绍。

实施例1

如图1所示，为本发明实施例立体外观结构示意图，本发明由四路并列安装的单光谱-偏振信息检测传感器和传感器阵列安装架组成，其中，四路单光谱-偏振信息检测传感器分别配置有可见光镜头、红外镜头、紫光镜头和蓝光镜头；

单光谱-偏振信息检测传感器外观结构示意图如图2所示，如图2(a)～(b)所示，其外观主体为长方体，安装有光学镜头，并留有外接网口、WIFI天线和外接电源口，且传感器侧面的两个螺纹孔用于将其固定在传感器阵列安装架上；

如图3所示，为单光谱-偏振信息检测传感器内部结构示意图，其中，整个传感器内部依次安装有第一分光镜1、第二分光镜2、以及第一～三偏振摄像机3、4、5，小型的路由器6、ARM处理板7和接线端子排8。其中，第一～三偏振摄像机3、4、5的镜头前分别加装有0°、45°和90°偏振片，且光学镜头、分光镜和偏振摄像机的光学中心相重合；通过网线将第一～三偏振摄像机3、4、5、路由器6和ARM处理板7相连接，并将传感器内部所有需要供电设备的电源线接入接线端子排8；其中四根虚线为网线，五根实线为电源线。

使用时，将偏振信息检测传感器阵列的光学镜头对准检测区域，电源线插入各个偏振信息检测传感器的外接电源口；启动电源，电流通过接线端子排8同时向第一～三偏振摄像机3、4、5、路由器6和ARM处理板7进行供电；设备启动完成后，通过WIFI信号将外部计算机接入ARM处理板7，运行外部计算机内的软件putty，启动ARM处理板7内的系统软件，驱动第一～三偏振摄像机3、4、5采集偏振图像，并读取图像信息进行数据处理，将偏振特性处理结果存储在ARM开发板中，可通过外部计算机内的软件WinSCP查看处理结果。

通过本发明进行大气偏振模式检测实验，实验地点为：北纬32°1.57′，东经118°51.1′，实验天气为阴天，实验过程中采集蓝光波段的偏振信息图像，进行光谱-偏振特性分析，得到蓝光波段的偏振度和偏振方向检测结果分别如图4(a)、4(b)所示。

Claims (9)

1.一种仿生导航多光谱偏振同步采集系统，其特征在于，整个系统包括一个2×2的偏振信息检测传感器阵列，以及传感器阵列安装架；

所述的四路偏振信息检测传感器配备四种不同的光学镜头，分别为可见光镜头、红外镜头、紫光镜头和蓝光镜头；其中紫光镜头和蓝光镜头分别为在可见光镜头前加装紫色滤光片和蓝色滤光片；所述的四种光学镜头实现对可见光波段、红外波段、紫光波段和蓝光波段的光谱信息检测。

2.根据权利要求1所述的仿生导航多光谱偏振同步采集系统，其特征在于，所述的传感器阵列安装架采用木质材料，该传感器阵列安装架相对的两个侧面共加工有四对安装孔和排线口，其中，安装孔用于固定偏振信息检测传感器，排线口则用于引出偏振信息检测传感器的电源线和对外网口。

3.根据权利要求1或2所述的仿生导航多光谱偏振同步采集系统，其特征在于，所述每个偏振信息检测传感器分别包括光谱-偏振成像模块、数据通信模块、数据处理模块、电路模块和传感器安装结构模块，其中：

所述的光谱-偏振成像模块负责采集特定波段的偏振信息图像；

所述的数据处理模块负责处理偏振信息图像，完成光谱-偏振特性分析；

所述的数据通信模块负责光谱-偏振成像模块、数据处理模块以及外部接口间的数据传输；

所述的电路模块负责对偏振信息检测传感器内部的其他模块进行供电；

所述传感器安装结构模块负责固定安装其他各模块。

4.根据权利要求3所述的仿生导航多光谱偏振同步采集系统，其特征在于，所述光谱-偏振成像模块包括第一分光镜(1)、第二分光镜(2)，以及第一～三偏振摄像机(3、4、5)，第一分光镜(1)、第二分光镜(2)对通过偏振信息检测传感器中光学镜头(12)的光波进行两次分光，将一束光分成三束光学信息相同的光；第一～三偏振摄像机(3、4、5)镜头前分别安装有0°、45°和90°的偏振片，用以接收通过所述分光镜的三束光学信息相同的光，并提取特定波段的光波偏振信息。

5.根据权利要求4所述的仿生导航多光谱偏振同步采集系统，其特征在于，所述数据处理模块采用ARM处理板(7)，用于驱动第一～三偏振摄像机(3、4、5)采集偏振图像，并对图像信息进行存储和数据处理。

6.根据权利要求5所述的仿生导航多光谱偏振同步采集系统，其特征在于，所述的数据通信模块包括路由器(6)、WIFI天线(9)、外接网口(10)和四根网线，其中，四根网线分别将第一～三偏振摄像机(3、4、5)和ARM处理板(7)自带的网口A连接到所述的路由器(6)上，实现了对三通道偏振信息的并行实时采集；所述的ARM处理板(7)自带网口B作为整个偏振信息检测传感器的外接网口(10)，通过外接网口(10)导出ARM处理板(7)存储的数据结果；所述的ARM处理板(7)配有WIFI模块，通过WIFI天线(9)将外部计算机接入无线网络信号，用于查看ARM处理板(7)内的数据结果。

7.根据权利要求6所述的仿生导航多光谱偏振同步采集系统，其特征在于，所述电路模块包括五根电源线、一个接线端子排(8)和一个对外电源接口(11)，所述的五根电源线分别将第一～三偏振摄像机(3、4、5)、路由器(6)和ARM处理板(7)连接到接线端子排(8)上，再从所述的接线端子排(8)上引出一根电线与对外电源接口(11)相连，通过所述的对外电源接口(11)与外部电源相连，实现了对偏振信息检测传感器内部各模块的集中供电。

8.根据权利要求7所述的仿生导航多光谱偏振同步采集系统，其特征在于，所述传感器安装结构模块是偏振信息检测传感器的外壳结构，包括壳体(13)、光学镜头安装螺纹、分光镜安装槽、偏振摄像机安装架、路由器固定槽、ARM处理板安装孔、接线端子排安装孔、传感器外部接口槽和传感器安装螺孔，其中：所述的壳体(13)为整个偏振信息检测传感器外壳，所有的安装结构均加工在壳体(13)的内外侧，壳体(13)形状为长方体；所述的光学镜头安装螺纹位于壳体(13)的外侧，所述的光学镜头(12)旋转固定在壳体(13)上；所述的分光镜安装槽位于壳体内部，共计两个，分别将第一分光镜(1)、第二分光镜(2)嵌入其中；所述偏振摄像机安装架共三对，且每对均加工有两个安装孔，通过螺柱分别将第一～三偏振摄像机(3、4、5)固定在壳体内部；所述的路由器固定槽用于嵌入路由器(6)；所述的ARM处理板安装孔为四个螺孔，每个螺孔均与ARM处理板(7)四个角的安装孔一一对应，用铜柱固定ARM处理板(7)；所述的接线端子排安装孔同为四个螺孔，用于固定接线端子排(8)的四个角；所述的传感器外部接口槽位于壳体(13)的外侧，包括一个矩形的网口槽，一个圆形的电源接口槽和一个WIFI天线安装槽，其加工面与光学镜头安装螺纹面相对；所述的传感器安装螺孔位于光学镜头安装螺纹面的相邻面上，用于将偏振信息检测传感器固定在所述的传感器阵列安装架上。

9.一种基于权利要求1～8中任一仿生导航多光谱偏振同步采集系统的仿生导航多光谱偏振同步采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将四路偏振信息检测传感器配备四种不同的光学镜头，分别为可见光镜头、红外镜头、紫光镜头和蓝光镜头；通过光学镜头提取检测区域光波中固定波段的光信息，再将提取到的光信息通过分光镜分成三路相同的光波传输给偏振摄像机，并由偏振摄像机镜头前的偏振片将传输过来的光波转化为具有设定偏振方向的偏振光；

步骤2，偏振摄像机采集三路偏振图像，对采集到的三路偏振图像进行灰度处理，分别得到在0°、45°和90°偏振检测通道下的三组光强信息I(0°)、I(45°)、I(90°)；

步骤3，三路光强信息融合，即代入光强信息计算检测区域偏振光的Stokes矢量S＝(I,Q,U,V)^T，如下所示：

其中，I为辐射光强，Q和U分别表示两个方向上的线偏振光，V表示圆偏振光；

步骤4，偏振特性检测，通过Stokes矢量各分量计算检测区域内固定波段偏振光的偏振度d和偏振方向ψ为：

步骤5，同时进行四个波段的偏振特性检测，实现对可见光波段、红外波段、紫光波段和蓝光波段的光谱信息检测。