CN111457911B - 一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法。首先针对各通道的检偏器消光比不一致的问题，通过引入消光比系数平衡因不一致引起的偏振度差异，建立消光比系数与仿生偏振罗盘的输出光强的映射关系。然后考虑到各通道检偏器的安装误差，在偏振量测方程中引入通道耦合系数和偏振片安装角误差系数。最后建立基于偏振方位角和偏振度的二维残差目标优化函数，对仿生偏振罗盘量测方程的参数进行迭代估计，最终获得仿生偏振罗盘的系数参量。本发明充分考虑了传感器内部消光比及其不一致性对偏振解算精度造成的影响，利用偏振方位角和偏振度双重误差信息实现对仿生偏振罗盘模型参数的精细化标定，有效提高偏振罗盘的偏振信息解算精度和稳定性。

Description

一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法

技术领域

本发明涉及一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法，充分考虑了传感器内部消光比及其不一致性对偏振解算精度造成的影响，利用偏振方位角和偏振度双重误差信息实现对仿生偏振罗盘模型参数的精细化标定，有效提高偏振罗盘的偏振信息解算精度和稳定性。

背景技术

受自然界昆虫偏振视觉机制的启发，研究人员开发出了多种类型的仿生偏振传感器，近几十年来仿生偏振传感器的研究主要朝着两个方向发展，一类为模仿偏振神经元的对立感知机理所设计的点源式偏振传感器，另一类为模仿动物偏振视觉机理所设计的图像式偏振传感器。然而受制造工艺等因素的影响，特别是微阵列类的仿生偏振传感器的检偏器消光比较低且不同通道间的消光比一致性较差，最终会造成解算偏振信息的精度和稳定性变差。因此，对偏振罗盘消光比不一致性的校准是提高传感器精度的一项必要环节。

已授权中国专利CN201610030919.4《一种用于多相机偏振光传感器的标定方法》，对多相机的图像式偏振罗盘量测方程进行分析，并使用偏振方位角误差作为目标函数对偏振传感器进行参数标定。已授权中国专利CN201710914696.2《一种微阵列式偏振光罗盘的定向方法》，使用微阵列偏振传感器进行航向解算，对传感器进行标定时考虑了安装误差和CCD相机的响应误差，对微阵列相机的测量性能有一定改善。论文《一种多光谱仿生偏振导航传感器设计方法》，在对所设计的偏振罗盘进行标定时仅考虑了安装误差对偏振传感器精度的影响。然而，现阶段关于偏振传感器标定的相关研究为考虑因不同通道检偏器的消光比差异导致偏振解算性能下降的问题，而消光比的不一致性对偏振信息的解算精度和稳定性都会造成很大影响，所以针对偏振传感器消光比不一致性进行标定是一项亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有偏振传感器量测方程中未考虑检偏器消光比影响传感器导航解算精度的技术不足，提供一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法。首先针对各通道的检偏器消光比不一致的问题，通过引入消光比系数平衡因不一致引起的偏振度差异，建立消光比系数与仿生偏振罗盘的输出光强的映射关系。然后考虑到各通道检偏器的安装误差，在偏振量测方程中引入通道耦合系数和偏振片安装角误差系数。最后建立基于偏振方位角和偏振度的二维残差优化函数，对仿生偏振罗盘量测方程的参数进行迭代估计，最终获得仿生偏振罗盘的系数参量，引入标定系数的量测方程可有效提高偏振罗盘的偏振信息标定精度和稳定性。

本发明的技术方案是：一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法，其实现步骤如下：

(1)建立消光比δ与仿生偏振罗盘输出光强I_pol的映射关系，针对仿生偏振罗盘各个检偏通道间的检偏器，通过引入消光比系数κ_i平衡各个检偏通道因消光比差异导致的偏振度d不一致，推导得到基于消光比系数κ_i的偏振信息量测方程；

(2)建立检偏器安装误差与仿生偏振罗盘输出光强I_pol的映射关系，在步骤(1)的基础上，使用光路耦合系数ξ_i和检偏器安装角误差系数▽_i来表征旋转误差和平移误差对偏振罗盘各个检偏通道的输出光强I_pol(i)带来的影响，建立基于消光比系数κ_i、光路耦合系数ξ_i和检偏器安装角误差系数▽_i的偏振信息量测方程，κ_i、ξ_i和▽_i为各通道的待标定系数；

(3)建立基于偏振方位角和偏振度的二维残差优化函数，结合步骤(2)的偏振信息量测方程，计算获得实际偏振方位角

与偏振度d(x)，建立偏振信息二维残差矢量

和d_n为标定平台提供的基准偏振方位角和偏振度信息，使用残差矢量的欧几里得范数建立标定系数的目标优化函数；

(4)基于偏振二维残差信息的量测方程系数迭代标定算法，由线性最小二乘获得迭代初始值，使用步骤(3)的目标优化函数对仿生偏振罗盘量测方程中的系数参量进行迭代估计；

(5)将步骤(4)迭代估计得到的系数参量代入待定的仿生偏振罗盘量测方程中，获得完整的仿生偏振罗盘的量测方程。

所述步骤(1)具体实现如下：

制造工艺导致偏振罗盘的检偏器消光比δ与垂直偏振光轴入射偏振光的输出光强I_min和平行偏振光轴入射偏振光的输出光强I_max存在如下映射关系：

其中，I_max和I_min为理想光源下的偏振响应正弦曲线的最大值和最小值，d为入射光源的偏振度；

根据消光比和输出光强间的上述映射关系推导得消光比与入射光偏振度信息的关系如下：

为了保证每个偏振单元在同一入射光条件下解算得到相同的偏振度，引入消光比系数κ_i校准由消光比不一致引起的差异:

建立基于消光比系数的偏振罗盘测量方程如下：

其中，κ_i表示第i个通道的检偏器的消光比系数，I表示入射光的辐射强度，d表示入射光的偏振度，

表示入射光的偏振方位角，α_i表示偏振罗盘的第i个通道检偏器的安装角，I_pol(i)表示方程偏振罗盘测量的输出光强。

所述步骤(2)具体实现如下：

对检偏器安装过程中存在的旋转误差和平移误差所造成的不同通道偏振信息的耦合和偏振方位角信息的偏移，综合检偏器安装误差和消光比对偏振传感器解算精度的影响，对于偏振单元的每一个像素通道，仿生偏振罗盘的量测方程如下：

其中，k_j为偏振通道光强分配系数,j＝1,…,4，

表示考虑通道耦合和检偏器安装角误差的偏振响应输出光照强度，η_i＝ξ_i·κ_i为该通道的偏振度系数，受通道耦合系数ξ和消光比系数κ共同影响，▽_i为该通道的安装误差角系数；

而且考虑到不同偏振通道对入射偏振光的削弱作用存在差异，最终建立基于消光比系数κ_i、光路耦合系数ξ_i和检偏器安装角误差系数▽_i的仿生偏振罗盘量测方程如下：

其中，λ_i表示第i个通道的检偏器对入射光强的削弱程度，v_i表示第i个通道的测量高斯白噪声。

所述步骤(3)具体实现如下：

建立偏振传感器关于偏振方位角和偏振度双重残差信息的目标优化函数，建立基于偏振方位角和偏振度二维残差信息的优化函数如下：

其中，

和d_n为标定平台提供的基准偏振方位角和偏振度的测量序列，

d(x)为标定过程计算获得的偏振方位角和偏振度序列，

为待估计的模型参数向量。寻求二维残差矢量欧几里得范数最小值对偏振罗盘的标定参数进行估计，标定参数与目标优化函数的关系如下：

所述步骤(4)具体实现如下：

使用基于偏振二维残差信息的迭代标定算法对偏振量测方程的系数进行估计，通过线性最小二乘获得标定系数初值矩阵如下：

计算得到仿生偏振罗盘的量测方程系数初值如下：

λ_i ⁿ＝Σ_n(i,1)

其中，n表示偏振单元的序号，i为偏振传感器通道序号；

使用迭代最小二乘分别对仿生偏振罗盘每个偏振单元的量测方程系数参量进行优化，估计获得各通道的标定参数。

所述步骤(5)具体实现如下：

将步骤(4)迭代估计得到的系数参量代入待定的仿生偏振罗盘量测方程中，获得完整的仿生偏振罗盘的量测方程。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现阶段的仿生偏振传感器没有考虑每个通道消光比及其不一致对偏振信息解算造成的影响，传感器量测方程的不准确会导致标定的不准确，最终影响偏振信息解算。因此，本发明中引入了消光比系数改善偏振量测方程结构来提高传感器标定精度；

(2)依据本发明建立的基于消光比系数的偏振量测模型，设计了基于偏振方位角和偏振度双重误差的迭代标定算法，在改善偏振方位角精度的基础上同样提高了偏振度的解算精度，有效提升了仿生偏振罗盘解算性能和稳定性。

附图说明

图1为本发明一种基于偏振度误差的低消光比仿生偏振罗盘标定方法的流程图。

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，本发明一种基于偏振度误差的低消光比仿生偏振罗盘标定方法的具体实现步骤如下：

(1)建立消光比δ与仿生偏振罗盘输出光强I_pol的映射关系，针对仿生偏振罗盘各个检偏通道间的检偏器，通过引入消光比系数κ_i平衡各个检偏通道因消光比差异导致的偏振度d不一致，推导得到基于消光比系数κ_i的偏振信息量测方程；

(2)建立检偏器安装误差与仿生偏振罗盘输出光强I_pol的映射关系，在步骤(1)的基础上，使用光路耦合系数ξ_i和检偏器安装角误差系数▽_i来表征旋转误差和平移误差对偏振罗盘各个检偏通道的输出光强I_pol(i)带来的影响，建立基于消光比系数κ_i、光路耦合系数ξ_i和检偏器安装角误差系数▽_i的偏振信息量测方程，κ_i、ξ_i和▽_i为各通道的待标定系数；

(3)建立基于偏振方位角和偏振度的二维残差目标优化函数，结合步骤(2)的偏振信息量测方程，计算获得实际偏振方位角

与偏振度d(x)，建立偏振信息二维残差矢量

和d_n为标定平台提供的基准偏振方位角和偏振度信息，使用残差矢量的欧几里得范数建立标定系数的目标优化函数；

(4)基于偏振二维残差信息的量测方程系数迭代标定算法，由线性最小二乘获得迭代初始值，使用步骤(3)的目标优化函数对仿生偏振罗盘量测方程中的系数参量进行迭代估计；

(5)将步骤(4)迭代估计得到的系数参量代入待定的仿生偏振罗盘量测方程中，获得完整的仿生偏振罗盘的量测方程。

所述步骤(1)具体实现如下：

制造工艺导致偏振罗盘的检偏器消光比δ与垂直偏振光轴入射偏振光的输出光强I_min和平行偏振光轴入射偏振光的输出光强I_max存在如下映射关系：

其中，I_max和I_min为理想光源下的偏振响应正弦曲线的最大值和最小值，d为入射光源的偏振度；

根据消光比和输出光强间的上述映射关系推导得消光比与入射光偏振度信息的关系如下：

为了保证每个偏振单元在同一入射光条件下解算得到相同的偏振度，引入消光比系数κ_i校准由消光比不一致引起的差异:

建立基于消光比系数的偏振罗盘测量方程如下：

其中，κ_i表示第i个通道的检偏器的消光比系数，I表示入射光的辐射强度，d表示入射光的偏振度，

表示入射光的偏振方位角，α_i表示偏振罗盘的第i个通道检偏器的安装角，I_pol(i)表示方程偏振罗盘测量的输出光强。

所述步骤(2)具体实现如下：

对检偏器安装过程中存在的旋转误差和平移误差所造成的不同通道偏振信息的耦合和偏振方位角信息的偏移，综合检偏器安装误差和消光比对偏振传感器解算精度的影响，对于偏振单元的每一个像素通道，仿生偏振罗盘的量测方程如下：

其中，k_j为偏振通道光强分配系数,j＝1,…,4，

表示考虑通道耦合和检偏器安装角误差的偏振响应输出光照强度，η_i＝ξ_i·κ_i为该通道的偏振度系数，受通道耦合系数ξ和消光比系数κ共同影响，▽_i为该通道的安装误差角系数；

而且考虑到不同偏振通道对入射偏振光的削弱作用存在差异，最终建立基于消光比系数κ_i、光路耦合系数ξ_i和检偏器安装角误差系数▽_i的仿生偏振罗盘量测方程如下：

其中，λ_i表示第i个通道的检偏器对入射光强的削弱程度，v_i表示第i个通道的测量高斯白噪声。

所述步骤(3)具体实现如下：

建立偏振传感器关于偏振方位角和偏振度双重残差信息的目标优化函数，建立基于偏振方位角和偏振度二维残差信息的目标优化函数如下：

其中，

和d_n为标定平台提供的基准偏振方位角和偏振度的测量序列，

d(x)为标定过程计算获得的偏振方位角和偏振度序列，

为待估计的模型参数向量。寻求二维残差矢量欧几里得范数最小值对偏振罗盘的标定参数进行估计，标定参数与目标优化函数的关系如下：

所述步骤(4)具体实现如下：

使用基于偏振二维残差信息的迭代标定算法对偏振量测方程的系数进行估计，通过线性最小二乘获得标定系数初值矩阵如下：

计算得到仿生偏振罗盘的量测方程系数初值如下：

λ_i ⁿ＝Σ_n(i,1)

其中，n表示偏振单元的序号，i为偏振传感器通道序号；

使用迭代最小二乘分别对仿生偏振罗盘每个偏振单元的量测方程系数参量进行优化，估计获得各通道的标定参数。

所述步骤(5)具体实现如下：

将步骤(4)迭代估计得到的系数参量代入待定的仿生偏振罗盘量测方程中，获得完整的仿生偏振罗盘的量测方程。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立消光比δ与仿生偏振罗盘输出光强I_pol的映射关系，针对仿生偏振罗盘各个检偏通道间的检偏器，通过引入消光比系数κ_i平衡各个检偏通道因消光比差异导致的偏振度d不一致，推导得到基于消光比系数κ_i的偏振信息量测方程；

(2)建立检偏器安装误差与仿生偏振罗盘输出光强I_pol的映射关系，在步骤(1)的基础上，使用光路耦合系数ξ_i和检偏器安装角误差系数

来表征旋转误差和平移误差对偏振罗盘各个检偏通道的输出光强I_pol(i)带来的影响，建立基于消光比系数κ_i、光路耦合系数ξ_i和检偏器安装角误差系数

的偏振信息量测方程，κ_i、ξ_i和

为各通道的待标定系数；

(3)建立基于偏振方位角和偏振度的二维残差优化函数，结合步骤(2)的偏振信息量测方程，计算获得实际偏振方位角

与偏振度d(x)，建立偏振信息二维残差矢量

和d_n为标定平台提供的基准偏振方位角和偏振度信息，使用残差矢量的欧几里得范数建立标定系数的目标优化函数；

(4)基于偏振二维残差信息的量测方程系数迭代标定算法，由线性最小二乘获得迭代初始值，使用步骤(3)的目标优化函数对仿生偏振罗盘量测方程中的系数参量进行迭代估计；

(5)将步骤(4)迭代估计得到的系数参量代入待定的仿生偏振罗盘量测方程中，获得完整的仿生偏振罗盘的量测方程。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，制造工艺导致偏振罗盘的检偏器消光比δ与垂直偏振光轴入射偏振光的输出光强I_min和平行偏振光轴入射偏振光的输出光强I_max存在如下映射关系：

其中，I_max和I_min为理想光源下的偏振响应正弦曲线的最大值和最小值，d为入射光源的偏振度；

根据消光比和输出光强间的上述映射关系推导得消光比与入射光偏振度信息的关系如下：

为了保证每个偏振单元在同一入射光条件下解算得到相同的偏振度，引入消光比系数κ_i校准由消光比不一致引起的差异:

建立基于消光比系数的偏振罗盘量测方程如下：

其中，κ_i表示第i个通道的检偏器的消光比系数，I表示入射光的辐射强度，d表示入射光的偏振度，

表示入射光的偏振方位角，α_i表示偏振罗盘的第i个通道检偏器的安装角，I_pol(i)表示仿生偏振罗盘测量的输出光强。

3.根据权利要求2所述的一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，对检偏器安装过程中存在的旋转误差和平移误差所造成的不同通道偏振信息的耦合和偏振方位角信息的偏移，综合检偏器安装误差和消光比对偏振传感器解算精度的影响，对于偏振单元的每一个像素通道，仿生偏振罗盘的量测方程如下：

其中，k_j为偏振通道光强分配系数,j＝1,…,4，

表示考虑通道耦合和检偏器安装角误差的偏振响应输出光照强度，η_i＝ξ_i·κ_i为该通道的偏振度系数，受通道耦合系数ξ和消光比系数κ共同影响，

为该通道的安装角误差系数；

而且考虑到不同偏振通道对入射偏振光的削弱作用存在差异，最终建立基于消光比系数κ_i、光路耦合系数ξ_i和检偏器安装角误差系数

的仿生偏振罗盘量测方程如下：

其中，λ_i表示第i个通道的检偏器对入射光强的削弱程度，v_i表示第i个通道的测量高斯白噪声。

4.根据权利要求3所述的一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法，其特征在于：

所述步骤(3)中，建立偏振传感器关于偏振方位角和偏振度双重残差信息的目标优化函数，建立基于偏振方位角和偏振度二维残差信息的目标优化函数如下：

其中，

和d_n为标定平台提供的基准偏振方位角和偏振度的测量序列，

d(x)为标定过程计算获得的偏振方位角和偏振度序列，

为待估计的模型参数向量；寻求二维残差矢量欧几里得范数最小值对偏振罗盘的标定参数进行估计，标定参数与目标优化函数的关系如下：

5.根据权利要求3所述的一种基于偏振二维残差信息的仿生偏振罗盘标定方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，使用基于偏振二维残差信息的迭代标定算法对偏振量测方程的系数进行估计，通过线性最小二乘获得标定系数初值矩阵如下：

计算得到仿生偏振罗盘的量测方程系数初值如下：

其中，n表示偏振单元的序号，i为偏振传感器通道序号；

使用迭代最小二乘分别对仿生偏振罗盘每个偏振单元的量测方程系数参量进行优化，估计获得各通道的标定参数。

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