CN113432611A - 一种基于全天域大气偏振模式成像的定向装置和方法 - Google Patents

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Abstract

基于全天域大气偏振模式成像的定向装置及方法，可以通过一次拍摄即可提取至少三种不同方向的全天域高分辨率的偏振光强信息，速度快，同步性高；能够逐像素获得的大视场、高分辨率的测量结果，既消除了多目传感器带来的视场误差和旋转偏振片传感器的非同步测量误差，提高了测量精度，又充分利用了全天域的偏振信息；结构简单，使用方便，适应于实际应用场景。定向装置包括：鱼眼镜头(1)、微透镜阵列(2)、纳米光栅微偏振阵列(3)、CMOS图像探测器(4)、POE(5)、上位机(6)和电源模块(7)。定位方法利用掩膜均值对计算得到的大气偏振模式做了修复处理，减轻天空视场中的遮挡物带来的影响，使定向的精度和可靠性得到提升。

Description

一种基于全天域大气偏振模式成像的定向装置和方法
技术领域
本发明涉及运动体的仿生导航定位的技术领域，尤其涉及一种基于全天域大气偏振模式成像的定向装置，以及这种基于全天域大气偏振模式成像的定向装置所采用的定向方法。
背景技术
随着航天器、无人机、地面移动机器人等无人运动平台的快速发展，运动载体的自主导航与定位已经成为一项关键技术。现阶段，常用的导航与定位手段是惯性导航和卫星导航。但是，长时间工作时惯性导航容易累计误差，影响定位精度，卫星导航过于依赖卫星通讯，易受电磁干扰。因此面对复杂环境时，两者往往难以满足要求。
偏振光定向是在仿生学的基础上发展起来的一种新型的辅助导航手段。由于大气层对太阳光具有散射作用，会改变太阳光的偏振态，从而形成有规律的大气偏振模式，其中蕴含着丰富的导航信息。自然界的很多生物都可以通过感知大气偏振模式进行导航，比如沙漠蚂蚁可以通过感知大气偏振模式确定方向，从距离巢穴数百米的地方沿直线准确返回。由于大范围内大气偏振模式很难受到人为干扰，且其误差不随时间累计，可以帮助解决无人运动平台在在强干扰复杂环境中长时间工作时的自主导航与定位问题。
传统的偏振成像定向装置主要包括多目式偏振传感器和旋转式偏振传感器两类。但是，多目式偏振传感器结构较为复杂，同时多目之间具有视场误差。而旋转式偏振传感器在一组测量中需要多次旋转偏振片，使用步骤较为繁琐且带来了非同步测量误差。此外，在实际应用中，天空视场内通常存在树木、建筑物等遮挡物，影响定向的准确性和可靠性。因此，如何在存在遮挡的环境下实现快速、精确、便捷的大气偏振模式测量仍然是一个重要的问题。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于全天域大气偏振模式成像的定向装置，其可以通过一次拍摄即可提取至少三种不同方向的全天域高分辨率的偏振光强信息，速度快，同步性高；能够逐像素获得的大视场、高分辨率的测量结果，既消除了多目传感器带来的视场误差和旋转偏振片传感器的非同步测量误差，提高了测量精度，又充分利用了全天域的偏振信息；结构简单，使用方便，适应于实际应用场景。
本发明的技术方案是：这种基于全天域大气偏振模式成像的定向装置，其包括：鱼眼镜头(1)、微透镜阵列(2)、纳米光栅微偏振阵列(3)、CMOS图像探测器(4)、POE(5)、上位机(6)和电源模块(7)；
该装置的成像光轴垂直于水平面指向天空，鱼眼镜头的有效视场角大于180°并对无穷远处的天空成像，全天域的散射光经鱼眼镜头入射到该装置中，并依次透射微透镜阵列和纳米光栅微偏振阵列，到达CMOS图像探测器；
微透镜阵列位于纳米光栅微偏振阵列的正上方，包含的微透镜数量与CMOS图像探测器像素单元数相等；
至少三种不同偏振角度的纳米光栅按照一定的排布规律覆盖在每个CMOS像素单元表面，形成纳米光栅微偏振阵列；CMOS图像探测器采集全天域天空偏振光强度信息并完成光电转换；POE执行上位机与COMS探测器之间的数据传输并为CMOS图像探测器提供直流供电；上位机对采集到的全天域天空偏振光强度进行计算和处理，获得大气偏振模式；电源模块为上位机和POE提供交流供电。
本发明至少三种不同偏振角度的纳米光栅按照一定的排布规律覆盖在每个CMOS像素单元表面，形成纳米光栅微偏振阵列，因此可以通过一次拍摄即可提取至少三种不同方向的全天域高分辨率的偏振光强信息，速度快，同步性高；鱼眼镜头对无穷远处的天空成像，全天域的散射光经鱼眼镜头入射到该装置中，并依次透射微透镜阵列和纳米光栅微偏振阵列，到达CMOS图像探测器，因此能够逐像素获得的大视场、高分辨率的测量结果，既消除了多目传感器带来的视场误差和旋转偏振片传感器的非同步测量误差，提高了测量精度，又充分利用了全天域的偏振信息；本发明的装置结构简单，使用方便，既不需要传统的多目复杂结构，也不需要在一组测量中调节偏振片方向，适应于实际应用场景。
还提供了一种基于全天域大气偏振模式成像的定向方法，其包括以下步骤：
(1)使用基于全天域大气偏振模式成像的定向装置采集全天域天空偏振光强度，并经POE传输至上位机；
(2)根据纳米光栅微偏振阵列的排布规律，通过像素分割和插值算法，提取不同纳米光栅的偏振角度φ分别对应的全天域偏振光强信息Iout(φ)；
(3)计算大气偏振模式；
(4)设置DOP值和DOP梯度值的阈值生成掩膜矩阵mask；
(5)利用mask矩阵，筛选并修复AOP分布：对于mask为1处的像素点，保留其AOP值；对于mask为0处的像素点，舍弃原有AOP值并计算其掩膜均值以填充，表示为：
Figure BDA0003118017390000041
其中，AOPinpainting(i，j)表示筛选并修复后的AOP值，
AOPmean(i，j)为掩膜均值，AOPmean(i，j)的计算过程表示为：
Figure BDA0003118017390000042
其中，maskpad和AOPpad分别表示mask和AOP矩阵中(i，j)坐标点附近，半径为r的一个邻域矩阵，两矩阵的点积除以maskpad中所有元素之和，计算得到掩膜均值；
(6)采用阈值法从修复后的AOP分布中提取太阳子午线，并利用Hough变换提取太阳子午线并确定运动载体方向。
附图说明
图1为根据本发明的基于全天域大气偏振模式成像的定向装置的示意图。
图2为根据本发明的基于全天域大气偏振模式成像的定向方法的流程图。
图3为根据本发明的基于全天域大气偏振模式成像的定向方法的效果示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，这种基于全天域大气偏振模式成像的定向装置，其包括：鱼眼镜头1、微透镜阵列2、纳米光栅微偏振阵列3、CMOS图像探测器4、POE 5(Power Over Etherne，以太网供电)、上位机6和电源模块7；
该装置的成像光轴垂直于水平面指向天空，鱼眼镜头对无穷远处的天空成像，全天域的散射光经鱼眼镜头入射到该装置中，并依次透射微透镜阵列和纳米光栅微偏振阵列，到达CMOS图像探测器；
微透镜阵列位于纳米光栅微偏振阵列的正上方，包含的微透镜数量与CMOS图像探测器像素单元数相等；
至少三种不同偏振角度的纳米光栅按照一定的排布规律覆盖在每个CMOS像素单元表面，形成纳米光栅微偏振阵列；CMOS图像探测器采集全天域天空偏振光强度信息并完成光电转换；POE执行上位机与COMS探测器之间的数据传输并为CMOS图像探测器提供直流供电；上位机对采集到的全天域天空偏振光强度进行计算和处理，获得大气偏振模式；电源模块为上位机和POE提供交流供电。
本发明至少三种不同偏振角度的纳米光栅按照一定的排布规律覆盖在每个CMOS像素单元表面，形成纳米光栅微偏振阵列，因此可以通过一次拍摄即可提取至少三种不同方向的全天域高分辨率的偏振光强信息，速度快，同步性高；鱼眼镜头对无穷远处的天空成像，全天域的散射光经鱼眼镜头入射到该装置中，并依次透射微透镜阵列和纳米光栅微偏振阵列，到达CMOS图像探测器，因此能够逐像素获得的大视场、高分辨率的测量结果，既消除了多目传感器带来的视场误差和旋转偏振片传感器的非同步测量误差，提高了测量精度，又充分利用了全天域的偏振信息；本发明的装置结构简单，使用方便，既不需要传统的多目复杂结构，也不需要在一组测量中调节偏振片方向，适应于实际应用场景。
优选地，所述鱼眼镜头的有效视场角大于180°。
优选地，所述微透镜阵列、纳米光栅微偏振阵列和CMOS图像探测器的分辨率相同。
优选地，所述纳米光栅微偏振阵列的排布规律为：以四个像元为一个计算单元均匀排布，一个计算单元内至少包含三种不同偏振角度的纳米光栅，相同的计算单元均匀排布构成纳米光栅微偏振阵列。
如图2所示，还提供了一种基于全天域大气偏振模式成像的定向方法，其包括以下步骤：
(1)使用基于全天域大气偏振模式成像的定向装置采集全天域天空偏振光强度，并经POE传输至上位机；
(2)根据纳米光栅微偏振阵列的排布规律，通过像素分割和插值算法，提取不同纳米光栅的偏振角度φ分别对应的全天域偏振光强信息Iout(φ)；
(3)计算大气偏振模式；
(4)设置DOP值和DOP梯度值的阈值生成掩膜矩阵mask；
(5)利用mask矩阵，筛选并修复AOP分布：对于mask为1处的像素点，保留其AOP值；对于mask为0处的像素点，舍弃原有AOP值并计算其掩膜均值以填充，表示为：
Figure BDA0003118017390000071
其中，AOPinpainting(i，j)表示筛选并修复后的AOP值，
AOPmean(i，j)为掩膜均值，AOPmean(i，j)的计算过程表示为：
Figure BDA0003118017390000072
其中，maskpad和AOPpad分别表示mask和AOP矩阵中(i，j)坐标点附近，半径为r的一个邻域矩阵，两矩阵的点积除以maskpad中所有元素之和，计算得到掩膜均值；
(6)采用阈值法从修复后的AOP分布中提取太阳子午线，并利用Hough变换提取太阳子午线并确定运动载体方向。
优选地，所述步骤(3)中，大气偏振模式解算原理表示为：
Figure BDA0003118017390000073
其中，φ表示纳米光栅的偏振角度，Iout(φ)表示对应全天域偏振光强信息，I、Q和U代表偏振光斯托克斯矢量的前三个分量。
优选地，所述步骤(3)中，
由3个或以上不同偏振角度φ对应的上式联立，求解I、Q和U，
进而计算得到的大气偏振模式表示为：
Figure BDA0003118017390000074
其中，AOP为偏振角，DOP为偏振度。
优选地，所述步骤(4)中，mask表示为：
Figure BDA0003118017390000081
其中，(i，j)表示像素点坐标，DOPmin和DOPmax分别是DOP值的阈值下限和上限，Gmax表示DOP梯度值得阈值上限。
优选地，所述步骤(1)中，使用水平仪校正装置的成像光轴，使光轴垂直于水平面指向天空，采集全天域天空偏振光强信息；所述步骤(3)中，选取纳米光栅微偏振阵列计算单元中至少三个偏振角度对应的光强信息联立计算斯托克斯矢量，进而计算大气偏振模式，得到AOP和DOP分布；所述步骤(4)中，DOPmin和DOPmax为0至1之间的值，Gmax的取值小于0.05。
本发明装置及方法，对比现有技术，具有以下优势和特点：
(1)本发明所述装置首次提出了一种基于鱼眼镜头和纳米光栅微偏振阵列的全天域大气偏振模式成像定向装置。该装置可以通过一次拍摄即可提取至少三种不同方向的全天域高分辨率的偏振光强信息，速度快，同步性高。
(2)本发明所述装置，能够逐像素获得的大视场、高分辨率的测量结果，既消除了多目传感器带来的视场误差和旋转偏振片传感器的非同步测量误差，提高了测量精度，又充分利用了全天域的偏振信息。
(3)本发明所述装置，结构简单，使用方便，既不需要传统的多目复杂结构，也不需要在一组测量中调节偏振片方向，适应于实际应用场景。
(4)本发明所述方法，首次提出了基于掩膜均值的大气偏振模式修复方法，对计算得到的大气偏振模式做了修复处理，减轻天空视场中的遮挡物带来的影响，使定向的精度和可靠性得到提升。
以下详细说明本发明的具体实施例。
本发明提供的全天域大气偏振模式成像定向装置，兼具大视场、快速、精确、便捷等特点，具体定向装置如图1所示，其包括：鱼眼镜头1、微透镜阵列2、纳米光栅微偏振阵列3、CMOS图像探测器4、POE 5、上位机6和电源模块7。该装置的成像光轴垂直于水平面指向天空。其中，鱼眼镜头对无穷远处的天空成像，全天域的散射光经鱼眼镜头入射到该装置中，并依次透射微透镜阵列和纳米光栅微偏振阵列，到达CMOS图像探测器。微透镜阵列位于纳米光栅微偏振阵列的正上方，包含的微透镜数量与CMOS图像探测器像素单元数相等。至少三种不同偏振角度的纳米光栅按照一定的排布规律覆盖在每个CMOS像素单元表面，形成纳米光栅微偏振阵列。由于纳米光栅微偏振阵列位于CMOS图像探测器表面且在微透镜阵列正下方，能有效减少CMOS像素单元接收到的偏振光角度的串扰。CMOS图像探测器采集全天域天空偏振光强度信息并完成光电转换。POE实现上位机与COMS探测器之间的数据传输并为CMOS图像探测器提供直流供电。上位机的功能是对采集到的全天域天空偏振光强度进行计算和处理，获得大气偏振模式。电源模块为上位机和POE提供交流供电。
优选地，所述鱼眼镜头有效视场角为185°。
优选地，所述微透镜阵列、纳米光栅微偏振阵列和CMOS图像探测器的分辨率均为1024×1224像素。
优选地，所述纳米光栅微偏振阵列的排布规律为：以四个像元为一个计算单元均匀排布，每个计算单元内的纳米光栅的方向分别为90°,45°,135°和0°。
本发明提供的全天域大气偏振模式成像定向方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一：搭建全天域大气偏振模式成像装置，使用水平仪校正装置的成像光轴，使光轴垂直于水平面指向天空，采集185°视场角内全天域天空偏振光强信息，并经POE传输至上位机。
步骤二：通过像素分割和线性插值，分别提取偏振角度为90°,45°,135°和0°对应的偏振光强信息。
步骤三：计算大气偏振模式。选取其中0°，45°和90°三个偏振角度对应的光强信息联立计算斯托克斯矢量，进而计算大气偏振模式，得到AOP和DOP分布。
步骤四：设置DOP值和DOP梯度值的阈值生成掩膜矩阵mask。其中，DOPmin和DOPmax分别为0.05和0.9，Gmax为0.03。
步骤五：利用mask矩阵，筛选并修复AOP分布。其中，半径r为10。
步骤六：采用阈值法从修复后的AOP分布中提取太阳子午线，并利用Hough变换提取太阳子午线并确定运动载体方向。
本发明提供的全天域大气偏振模式成像定向方法，其效果如图3所示，Hough变换空间中无效峰值被抑制，有效峰值被正确提取出来。基于掩膜均值的大气偏振模式修复方法，减轻了天空视场中的遮挡物带来的影响，使定向的精度和可靠性得到提升。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于全天域大气偏振模式成像的定向装置，其特征在于：其包括：鱼眼镜头(1)、微透镜阵列(2)、纳米光栅微偏振阵列(3)、CMOS图像探测器(4)、POE(5)、上位机(6)和电源模块(7)；该装置的成像光轴垂直于水平面指向天空，鱼眼镜头对无穷远处的天空成像，全天域的散射光经鱼眼镜头入射到该装置中，并依次透射微透镜阵列和纳米光栅微偏振阵列，到达CMOS图像探测器；
微透镜阵列位于纳米光栅微偏振阵列的正上方，包含的微透镜数量与CMOS图像探测器像素单元数相等；
至少三种不同偏振角度的纳米光栅按照一定的排布规律覆盖在每个CMOS像素单元表面，形成纳米光栅微偏振阵列；CMOS图像探测器采集全天域天空偏振光强度信息并完成光电转换；POE执行上位机与COMS探测器之间的数据传输并为CMOS图像探测器提供直流供电；上位机对采集到的全天域天空偏振光强度进行计算和处理，获得大气偏振模式；电源模块为上位机和POE提供交流供电。
2.根据权利要求1所述的基于全天域大气偏振模式成像的定向装置，其特征在于：所述鱼眼镜头的有效视场角大于180°。
3.根据权利要求2所述的基于全天域大气偏振模式成像的定向装置，其特征在于：所述微透镜阵列、纳米光栅微偏振阵列和CMOS图像探测器的分辨率相同。
4.根据权利要求3所述的基于全天域大气偏振模式成像的定向装置，其特征在于：所述纳米光栅微偏振阵列的排布规律为：以四个像元为一个计算单元，一个计算单元内至少包含三种不同偏振角度的纳米光栅，相同的计算单元均匀排布构成纳米光栅微偏振阵列。
5.根据权利要求1所述的基于全天域大气偏振模式成像的定向装置的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)使用基于全天域大气偏振模式成像的定向装置采集全天域天空偏振光强度，并经POE传输至上位机；
(2)根据纳米光栅微偏振阵列的排布规律，通过像素分割和插值算法，提取不同纳米光栅的偏振角度φ分别对应的全天域偏振光强信息Iout(φ)；
(3)计算大气偏振模式；
(4)设置DOP值和DOP梯度值的阈值生成掩膜矩阵mask；
(5)利用mask矩阵，筛选并修复AOP分布：对于mask为1处的像素点，保留其AOP值；对于mask为0处的像素点，舍弃原有AOP值并计算其掩膜均值以填充，表示为：
Figure FDA0003118017380000021
其中，AOPinpainting(i，j)表示筛选并修复后的AOP值，AOPmean(i，j)为掩膜均值，AOPmean(i，j)的计算过程表示为：
Figure FDA0003118017380000022
其中，maskpad和AOPpad分别表示mask和AOP矩阵中(i，j)坐标点附近，半径为r的一个邻域矩阵，两矩阵的点积除以maskpad中所有元素之和，计算得到掩膜均值；
(6)采用阈值法从修复后的AOP分布中提取太阳子午线，并利用Hough变换提取太阳子午线并确定运动载体方向。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，大气偏振模式解算原理表示为：
Figure FDA0003118017380000031
其中，φ表示纳米光栅的偏振角度，Iout(φ)表示对应全天域偏振光强信息，I、Q和U代表偏振光斯托克斯矢量的前三个分量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，由3个或以上不同偏振角度φ对应的上式联立，求解I、Q和U，进而计算得到的大气偏振模式表示为：
Figure FDA0003118017380000032
其中，AOP为偏振角，DOP为偏振度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，mask表示为：
Figure FDA0003118017380000033
其中，(i，j)表示像素点坐标，DOPmin和DOPmax分别是DOP值的阈值下限和上限，Gmax表示DOP梯度值得阈值上限。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，使用水平仪校正装置的成像光轴，使光轴垂直于水平面指向天空，采集全天域天空偏振光强信息；所述步骤(3)中，选取纳米光栅微偏振阵列计算单元中至少三个偏振角度对应的光强信息联立计算斯托克斯矢量，进而计算大气偏振模式，得到AOP和DOP分布；所述步骤(4)中，DOPmin和DOPmax为0至1之间的值，Gmax为的取值小于0.05。
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