CN113834570A - 一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法。首先，针对水下弱光环境下，感光芯片暗电流影响偏振传感器偏振信息准确度的问题，建立考虑暗电流的偏振传感器响应模型；其次，根据偏振传感器响应模型建立偏振信息与暗电流等参数的映射关系；然后，建立偏振信息的多参数优化函数，对偏振传感器暗电流等参数进行标定；最后，基于标定的暗电流等参数以及偏振传感器响应模型，实时解算偏振信息。本发明充分考虑水下弱光环境下，暗电流对偏振传感器偏振信息获取精度的影响，引入暗电流参数完善偏振传感器模型并通过多参数优化标定对偏振传感器进行优化标定，提高了偏振传感器在水下环境的偏振信息获取精度以及环境适应性。

Description

一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法

技术领域

本发明属于导航设备领域，涉及一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法，考虑了传感器内部暗电流参数等对偏振解算精度的影响，可用于完善偏振传感器模型，提高了偏振传感器在水下环境，尤其是水下弱光环境下的偏振信息获取精度以及环境适应性。

背景技术

仿生偏振导航是一种受生物启发的新型导航方式，具有无源、无辐射、自主性好、抗干扰能力强等优点，对弥补现有水下导航技术的不足有着重要的意义，而偏振传感器精度是限制水下偏振导航应用的一大瓶颈问题。偏振传感器通过获取偏振光在不同偏振方向的光强分量响应解算偏振信息，感光芯片是实现光强转换成电流响应的核心器件。然而偏振感光芯片存在暗电流误差，在大气等环境光强较强时，暗电流相对光电流较小，可以忽略，然而在水下光强较弱环境下，暗电流占比逐渐增大，影响传感器偏振解算精度和稳定性。

近几年，偏振传感器在大气环境中的研究和应用日趋成熟，论文“基于沙蚁POL-神经元模型的航向角处理方法”，给出了六通道偏振传感器在理想条件下不考虑误差模型的偏振信息解算方法；论文“基于偏振分光棱镜的仿生偏振传感器设计”设计了一款基于偏振分光棱镜的对立通道偏振传感器应用于大气环境以消除对立通道的正交误差；专利“一种基于无迹卡尔曼滤波的仿生偏振传感器多源误差标定方法”（申请号: 201810129371.8），主要针对大气环境分析对立式偏振传感器安装误差、二极管响应因子等模型误差提出了量测模型，并给出了标定补偿方法。然而，对于水下环境，尤其是在水下弱光环境下，现阶段关于偏振传感器研究尚不完善，偏振传感器暗电流参数将直接影响偏振传感器的偏振信息获取精度。因此，如何考虑暗电流参数完善现有偏振传感器模型，并对其进行有效标定以提高传感器的水下环境适应性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：现有偏振传感器未考虑暗电流影响，导致偏振传感器在水下不同光强环境下偏振解算精度较低；在标定过程中需要改变光强以获取更准确的偏振传感器模型参数，而仅以偏振方位角作为标定输入标定精度不高。本发明基于点源式对立偏振传感器，针对较弱光强条件下偏振传感器感光芯片暗电流占比增大导致各通道输出偏移问题，考虑暗电流误差建立传感器输出数学模型及偏振信息解算方法，利用光强、偏振方位角和偏振度误差信息建立目标优化函数，在不同光强条件下对偏振传感器暗电流等参数进行精细化标定。使得传感器能适用于水下等光强变化较大的应用场景，提高了偏振传感器偏振获取精度，具有更高的环境适应性。

本发明的技术方案是：一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法，其实现步骤如下：

（1）由于水面折射和水分子散射对光线的作用，水下场景中光照强度较大气环境中更微弱，低于100lx。针对水下弱光环境，分析暗电流D对偏振传感器影响机理及误差传递过程，构建包含暗电流D的偏振传感器通道的响应模型多参数向量Γ _k ，建立关于偏振传感器通道k的响应模型多参数向量Γ _k 的偏振传感器响应模型V _k (Γ _k )；

（2）根据步骤（1）得到的偏振传感器通道k响应模型V _k (Γ _k )，联立n(n≥3)个通道传感器响应利用最小二乘得到偏振信息关于偏振传感器模型多参数向量Γ _k 的映射关系：偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )；

（3）考虑水下时变光强环境，建立基于偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )的模型参数向量Γ _k 的多参数优化函数f(Γ _k )，通过非线性最小二乘等方法获得包含暗电流D的偏振传感器模型多参数向量Γ _k 的最优估计；

（4）将步骤（3）估计出的偏振传感器模型多参数向量Γ _k 代入待定的偏振传感器响应模型V _k (Γ _k )，联立多通道传感器响应解算实时偏振光强I、偏振方位角

和偏振度d。

步骤（1）具体实现如下：

暗电流D对偏振传感器影响机理分析为：

由马吕斯定律，第i个感光芯片产生电流与入射偏振光的关系如下：

其中，C _i 为第i个感光芯片输出电流，K _Ii 为第i个感光芯片光强响应参数，I为输入光强，D _i 为第i个感光芯片暗电流。d为该束光的偏振度，

为偏振方位角，

和

为第i个感光芯片感受到的偏振光中由偏振片消光比误差造成的光强系数和偏振度系数，

为对应通道偏振片安装位置与传感器零位夹角。

由感光芯片与入射偏振光的关系可以知道，在水下环境中，输入光强I越弱，感光芯片输出电流C _i 中暗电流D _i 占比越多，影响难以忽略。

对立偏振传感器通过将对立的i、j两感光芯片输出电流进行对数放大运算，分析暗电流误差传递过程，则考虑对立感光芯片的暗电流参数D _i 、D _j 的偏振传感器通道的输出为：

其中，Ka _k 为通道k对数放大器放大系数，V _OSOk 为通道k放大器输出偏置。

构建通道k待估计的偏振传感器模型多参数向量Γ _k ，表示为：

偏振传感器响应模型V(Γ)表示为：

步骤（2）具体实现如下：

根据步骤（1）得到的偏振传感器通道k的响应模型V _k (Γ _k )，联立n(n≥3)个通道传感器响应利用最小二乘方法求解传感器测量偏振信息，以减少某一通道测量误差对偏振信息获取准确度影响，令：

则根据传感器各通道响应模型写成矩阵形式有：

求得x的最小二乘解：

偏振信息与偏振传感器模型多参数向量Γ _k 的映射关系偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )为：

至此，建立偏振信息关于偏振传感器模型多参数向量Γ的映射关系：偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )，sqrt为平方根函数。

步骤（3）具体实现如下：

考虑水下时变光强环境，建立关于偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )的多参数优化函数：

目标优化函数f(Γ _k )中，

为积分球输出光强和基准偏振方位角和偏振度的测量序列。

使用残差矢量的欧几里得范数建立标定系数的最优估计如下：

在不同光强条件下，对传感器进行标定。以传感器模型参数理论值作为初值，通过非线性最小二乘法获得传感器模型系数的最优估计。

步骤（4）具体实现如下：

将步骤（3）估计出的偏振传感器模型多参数向量Γ代入待定的偏振传感器响应模型V(Γ)，联立多通道传感器响应解算实时偏振光强I、偏振方位角

和偏振度d。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）克服现有偏振传感器未考虑暗电流影响传感器在水下弱光环境下导航解算精度的技术不足，提出了一种考虑传感器暗电流适用于水下等不同光强环境下的传感器模型，通过最小二乘，求解得到输入光强I、偏振度d和偏振方位角

与暗电流D等传感器模型参数的关系；

（2）针对现有标定方法中基准信息利用不充分问题，依据本发明建立的基于暗电流和光强及偏振信息的关系，利用光强、偏振方位角和偏振度误差信息建立多参数优化函数，通过非线性最小二乘法获得传感器模型系数的更为准确的估计，有效提升了偏振传感器解算精度和稳定性。

附图说明

图1为本发明一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法的流程图。

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，本发明一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法的具体实现步骤如下：

（1）由于水面折射和水分子散射对光线的作用，水下场景中光照强度较大气环境中更微弱，低于100lx。针对水下弱光环境，分析暗电流D对偏振传感器影响机理及误差传递过程，构建包含暗电流D的偏振传感器通道k的响应模型多参数向量Γ _k ，建立关于偏振传感器通道k的响应模型多参数向量Γ _k 的偏振传感器响应模型V _k (Γ _k )；

（2）根据步骤（1）得到的偏振传感器通道k响应模型V _k (Γ _k )，联立n(n≥3)个通道传感器响应利用最小二乘得到偏振信息关于偏振传感器模型多参数向量Γ _k 的映射关系：偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )；

（3）考虑水下时变光强环境，建立基于偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )的模型参数向量Γ _k 的多参数优化函数f(Γ _k )，通过非线性最小二乘等方法获得包含暗电流D的偏振传感器模型多参数向量Γ _k 的最优估计；

（4）将步骤（3）估计出的偏振传感器模型多参数向量Γ _k 代入待定的偏振传感器响应模型V _k (Γ _k )，联立多通道传感器响应解算实时偏振光强I、偏振方位角

和偏振度d。

步骤（1）具体实现如下：

暗电流D对偏振传感器影响机理分析为：

由马吕斯定律，第i个感光芯片产生电流与入射偏振光的关系如下：

其中，C _i 为第i个感光芯片输出电流，K _Ii 为第i个感光芯片光强响应参数，I为输入光强，D _i 为第i个感光芯片暗电流。d为该束光的偏振度，

为偏振方位角，

和

为第i个感光芯片感受到的偏振光中由偏振片消光比误差造成的光强系数和偏振度系数，

为对应通道偏振片安装位置与传感器零位夹角。

由感光芯片与入射偏振光的关系可以知道，在水下环境中，输入光强I越弱，感光芯片输出电流C中暗电流D占比越多，影响难以忽略。

对立偏振传感器通过将对立的i、j两感光芯片输出电流进行对数放大运算，分析暗电流误差传递过程，则考虑对立感光芯片的暗电流参数D _i 、D _j 的偏振传感器通道k的输出为：

其中，Ka _k 为通道k对数放大器放大系数，V _OSOk 为通道k放大器输出偏置。

构建通道k待估计的偏振传感器模型多参数向量Γ _k ，表示为：

偏振传感器响应模型V(Γ)表示为：

步骤（2）具体实现如下：

根据步骤（1）得到的偏振传感器通道的响应模型V _k (Γ _k )，联立n(n≥3)个通道传感器响应利用最小二乘方法求解传感器测量偏振信息，以减少某一通道测量误差对偏振信息获取准确度影响，令：

则根据传感器各通道响应模型写成矩阵形式有：

求得的最小二乘解：

偏振信息与偏振传感器模型多参数向量Γ _k 的映射关系偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )为：

至此，建立偏振信息关于偏振传感器模型多参数向量Γ的映射关系：偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )，sqrt为平方根函数。

步骤（3）具体实现如下：

考虑水下时变光强环境，建立关于偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )的多参数优化函数：

目标优化函数f(Γ _k )中，

为积分球输出光强和基准偏振方位角和偏振度的测量序列。

使用残差矢量的欧几里得范数建立标定系数的最优估计如下：

在不同光强条件下，对传感器进行标定。以传感器模型参数理论值作为初值，通过非线性最小二乘法获得传感器模型系数的最优估计。

步骤（4）具体实现如下：

将步骤（3）估计出的偏振传感器模型多参数向量Γ _k 代入待定的偏振传感器响应模型V _k (Γ _k )，联立多通道传感器响应解算实时偏振光强I、偏振方位角

和偏振度d。

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)

1.一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1) 针对水下弱光环境，分析暗电流D对偏振传感器影响机理及误差传递过程，构建通道k,其中，k=1、2…n，n≥3,包含暗电流D的偏振传感器模型多参数向量Γ _k ，建立关于偏振传感器通道k的多参数向量Γ _k 的偏振传感器响应模型V _k (Γ _k )；

(2) 根据步骤（1）得到的偏振传感器通道k的响应模型V _k (Γ _k )，联立n个通道传感器响应，利用最小二乘得到偏振信息关于偏振传感器模型多参数向量Γ _k 的映射关系：偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )；

（3）考虑水下时变光强环境，建立基于偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )的模型参数向量Γ _k 的多参数优化函数f(Γ _k )，通过非线性最小二乘方法获得包含暗电流D的偏振传感器模型多参数向量Γ _k 的最优估计；

（4）将步骤（3）估计出的偏振传感器模型多参数向量Γ _k 代入待定的偏振传感器响应模型V _k (Γ)，联立多通道传感器响应解算实时偏振光强I、偏振方位角

和偏振度d。

2.根据权利要求1所述的一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法，其特征在于：

所述步骤（1）中，由马吕斯定律，第i个感光芯片产生电流与入射偏振光的关系如下：

其中，C _i 为第i个感光芯片输出电流，K _Ii 为第i个感光芯片光强响应参数，I为输入光强，D _i 为第i个感光芯片暗电流，d为该束光的偏振度，

为偏振方位角，

和

为第i个感光芯片感受到的偏振光中由偏振片消光比误差造成的光强系数和偏振度系数，

为对应通道偏振片安装位置与传感器零位夹角；

对立偏振传感器通过将对立的i、j两感光芯片输出电流进行对数放大运算，分析暗电流误差传递过程，则考虑对立感光芯片的暗电流参数D _i 、D _j 的偏振传感器通道k的输出为：

其中，Ka _k 为通道k对数放大器放大系数，V _OSOk 为通道k放大器输出偏置电压值；

构建通道k待估计的偏振传感器模型多参数向量Γ _k ，表示为：

偏振传感器响应模型V(Γ)表示为：

Γ _k 是一个向量，1-8是向量中的各个元素序号。

3.根据权利要求1所述的一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法，其特征在于：

所述步骤（2）中，根据步骤（1）得到的偏振传感器通道k的响应模型V _k (Γ _k )，联立n个通道传感器响应利用最小二乘方法求解传感器测量偏振信息，其中n≥3，以减少某一通道测量误差对偏振信息获取准确度影响，令：

I为光强，d为偏振度；

则根据偏振传感器各通道响应模型写成矩阵形式有：

求得x的最小二乘解：

偏振信息与偏振传感器模型多参数向量Γ _k 的映射关系偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )为：

至此，建立偏振信息关于偏振传感器模型多参数向量Γ的映射关系：偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )，sqrt为平方根函数。

4.根据权利要求1所述的一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法，其特征在于：

所述步骤（3）中，考虑水下时变光强环境，建立关于偏振光强I(Γ _k )、偏振方位角

和偏振度d(Γ _k )的多参数优化函数：

目标优化函数f(Γ _k )中，

为积分球输出光强和基准偏振方位角和偏振度的测量序列；

使用残差矢量的欧几里得范数建立标定系数的最优估计如下：

在不同光强条件下，对传感器进行标定，以传感器模型参数理论值作为初值，通过非线性最小二乘法获得传感器模型系数的最优估计。

5.根据权利要求1所述的一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法，其特征在于：

所述步骤（4）中，将步骤（3）估计出的偏振传感器模型多参数向量Γ _k 代入待定的偏振传感器响应模型V _k (Γ _k )，联立多通道传感器响应解算实时偏振光强I、偏振方位角

和偏振度d。

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