CN115752467A - 前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统及方法，能够同步捕捉前向街景视觉图像和垂向天光偏振特性，具有高集成度，在不使用多个传感器的情况下将基于前向街景的视觉导航和垂向天光的仿生偏振导航相结合，提高导航的精度和环境适应性。系统包括：第一带通滤光片(1)、第二带通滤光片(2)、偏振分光棱镜(3)、成像镜头(4)、彩色偏振相机(5)、POE(6)、上位机(7)和电源模块(8)。
Description
技术领域
本发明涉及无人运动平台的导航定位的技术领域，尤其涉及一种前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，以及这种前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统的工作方法。
背景技术
随着无人运动平台的快速发展，自主导航与定位已经成为一项关键技术，在交通运输、资源勘探、移动通信等许多领域发挥着越来越重要的作用。目前常见的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、天文导航、地磁导航等。惯性导航系统具有自主性好、短时精度高的优点，但是长时间工作中误差将随时间不断积累。卫星导航系统具有全天候、全球性的特点，且无累积误差，但卫星信号易受电磁干扰，在有高大建筑的城市中、有高大茂密树木的丛林中无法正常工作。天文导航系统成本较高集成化程度较低，地磁导航系统易受局部铁磁材料的干扰。以上主流导航系统难以完全满足实际应用的需求。因此通过新的研究思路和方法，寻求新的辅助导航方式成为现在研究的热门。
近年来，视觉导航技术因其传感器集成度高、使用便捷的特点得到深入研究，并被广泛应用于无人驾驶车辆、无人机和智能机器人等领域。对于地面无人运动平台，由于前向的街景包含道路、建筑物、障碍物和交通信号标记等丰富的信息，常被作为视觉导航技术中最主要的信息来源。然而，基于单一前向街景的视觉导航缺少绝对方向基准和尺度信息，精度难以保证，并且存在易产生纯旋转误差和环境适应性差的问题。
仿生偏振导航是利用天空散射光的偏振特性进行导航的一种新型的辅助导航手段。太阳光发出的自然光经大气粒子散射后产生散射光，散射天光的偏振特性在整个天穹中形成规律的分布模式，其中蕴含着丰富的导航信息。由于大范围的天光偏振模式很难受到人为干扰，且其误差不随时间累积，可以帮助解决无人运动平台在在强干扰的复杂环境中长时间工作的自主导航与定位问题。
单一的基于前向街景的视觉导航能力有限，将仿生偏振导航与视觉导航进行合理融合，可以有效弥补视觉导航缺少方向基准、易产生纯旋转误差和环境适应性差的缺点。开发前向街景与垂向天光复用的偏振导航装置可以利用一个传感器实现两种导航手段的合理结合，既能提高导航精度又能简化装置结构，具有广阔的发展前景。
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前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其能够同步捕捉前向街景视觉图像和垂向天光偏振特性，具有高集成度，在不使用多个传感器的情况下将基于前向街景的视觉导航和垂向天光的仿生偏振导航相结合，提高导航的精度和环境适应性。
本发明的技术方案是：这种前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其包括：第一带通滤光片(1)、第二带通滤光片(2)、偏振分光棱镜(3)、成像镜头(4)、彩色偏振相机(5)、POE(6)、上位机(7)和电源模块(8)；
该系统安装于无人运动平台上，其成像光轴垂直于水平面指向天空；
来自前向街景的无偏振的自然光通过第一带通滤光片入射到本成像系统中，经偏振分光棱镜反射后，到达成像镜头；来自天空的散射天光是部分偏振光，经第二带通滤光片入射到本系统中，其中的偏振成分经偏振分光棱镜透射后，到达成像镜头；混叠的前向街景无偏振光和垂向偏振天光通过成像镜头由彩色偏振相机成像；
彩色偏振相机内部集成有纳米光栅偏振阵列、拜尔滤光阵列和光电探测器阵列，实现混叠图像的采集；上位机对采集到的混叠图像进行处理，首先按照拜尔滤光阵列的排布规律，从采集到的混叠图像中分离出前向街景图像和偏振天光图像并进行预处理，再根据纳米光栅偏振阵列排布规律从偏振天光图像中计算出大气偏振模式；POE执行上位机与彩色偏振相机之间的数据传输，并为彩色偏振相机提供直流供电；电源模块为上位机和POE提供交流供电。
本发明公开的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，通过对波长和偏振的双重调制，实现了基于单一传感器的两个方向两种偏振特性的光的同步快速成像，具有体积小、系统集成度高和同步性好的优点。基于本发明公开的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，仿生偏振导航能够与视觉导航能够合理结合，能有效克服视觉导航缺少方向基准、易产生纯旋转误差和环境适应性差的缺点，提高导航精度与环境适应性。
还提供了这种前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统的工作方法，其包括以下步骤：
(1)该系统安装于无人运动平台上，其成像光轴垂直于水平面指向天空；
(2)来自前向街景的无偏振的自然光通过第一带通滤光片入射到本成像系统中，经偏振分光棱镜反射后，到达成像镜头；来自天空的散射天光是部分偏振光，经第二带通滤光片入射到本系统中，其中的偏振成分经偏振分光棱镜透射后，到达成像镜头；
(3)混叠的前向街景无偏振光和垂向偏振天光通过成像镜头由彩色偏振相机成像；彩色偏振相机内部集成有纳米光栅偏振阵列、拜尔滤光阵列和光电探测器阵列，实现混叠图像的采集；
(4)上位机对采集到的混叠图像进行处理，首先按照拜尔滤光阵列的排布规律，从采集到的混叠图像中分离出前向街景图像和偏振天光图像并进行预处理，再根据纳米光栅偏振阵列排布规律从偏振天光图像中计算出大气偏振模式。
附图说明
图1是根据本发明的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统的结构示意图。
图2是根据本发明的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统的工作方法的流程图。
图3是上位机对采集到的混叠图像进行处理的原理和效果示意图。
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，这种前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其包括：第一带通滤光片1、第二带通滤光片2、偏振分光棱镜3、成像镜头4、彩色偏振相机5、POE 6、上位机7和电源模块8；
该系统安装于无人运动平台上，其成像光轴垂直于水平面指向天空；来自前向街景的无偏振的自然光通过第一带通滤光片入射到本成像系统中，经偏振分光棱镜反射后，到达成像镜头；来自天空的散射天光是部分偏振光，经第二带通滤光片入射到本系统中，其中的偏振成分经偏振分光棱镜透射后，到达成像镜头；混叠的前向街景无偏振光和垂向偏振天光通过成像镜头由彩色偏振相机成像；
彩色偏振相机内部集成有纳米光栅偏振阵列、拜尔滤光阵列和光电探测器阵列，实现混叠图像的采集；上位机对采集到的混叠图像进行处理，首先按照拜尔滤光阵列的排布规律，从采集到的混叠图像中分离出前向街景图像和偏振天光图像并进行预处理，再根据纳米光栅偏振阵列排布规律从偏振天光图像中计算出大气偏振模式；POE执行上位机与彩色偏振相机之间的数据传输，并为彩色偏振相机提供直流供电；电源模块为上位机和POE提供交流供电。
本发明公开的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，通过对波长和偏振的双重调制，实现了基于单一传感器的两个方向两种偏振特性的光的同步快速成像，具有体积小、系统集成度高和同步性好的优点。基于本发明公开的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，仿生偏振导航能够与视觉导航能够合理结合，能有效克服视觉导航缺少方向基准、易产生纯旋转误差和环境适应性差的缺点，提高导航精度与环境适应性。
优选地，所述第一带通滤光片的通带中心波长处于所述彩色偏振相机中拜尔滤光阵列红光透过率高的波段。
优选地，所述第一带通滤光片的通带中心波长为630nm。
优选地，所述第二带通滤光片的通带中心波长处于所述彩色偏振相机中拜尔滤光阵列蓝色光透过率高的波段。
优选地，所述第二带通滤光片的通带中心波长为450nm。
优选地，所述彩色偏振相机使用的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，一个计算单元内包含至少三种不同线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。
优选地，所述彩色偏振相机使用的图像探测器阵列为Sony IMX250MYR；其拜尔滤光阵列的排布规律为：每四个相邻的像元为一个计算单元，每个单元覆盖同颜色微滤光片，红色、蓝色、绿色的微滤光片交错排布；滤光特性曲线中，红光与蓝光的中心波长分别是450nm至470nm、610nm至630nm；其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，一个计算单元内包含0°、45°、90°、135°四种不同偏振角度的纳米光栅。
优选地，根据所述彩色偏振相机的拜尔滤光阵列和纳米光栅微偏振阵列的排布规律，上位机对采集到的混叠图像进行处理：首先提取拜尔滤光阵列中红色滤光片覆盖的所有像素组合形成前向街景偏振图像，提取拜尔滤光阵列中蓝色滤光片覆盖的所有像素组合形成垂向天光偏振图像；对于前向街景偏振图像，通过计算微偏振阵列中0°和90°对应的像素值的和，消除偏振特性，得到非偏的前向街景图像；对于垂向天光偏振图像利用斯托克斯矢量计算出偏振角图像和偏振度图像，进而得到大气偏振模式。
如图2所示，这种前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统的工作方法，其包括以下步骤：
(1)该系统安装于无人运动平台上，其成像光轴垂直于水平面指向天空；
(2)来自前向街景的无偏振的自然光通过第一带通滤光片入射到本成像系统中，经偏振分光棱镜反射后，到达成像镜头；来自天空的散射天光是部分偏振光，经第二带通滤光片入射到本系统中，其中的偏振成分经偏振分光棱镜透射后，到达成像镜头；
(3)混叠的前向街景无偏振光和垂向偏振天光通过成像镜头由彩色偏振相机成像；彩色偏振相机内部集成有纳米光栅偏振阵列、拜尔滤光阵列和光电探测器阵列，实现混叠图像的采集；
(4)上位机对采集到的混叠图像进行处理，首先按照拜尔滤光阵列的排布规律，从采集到的混叠图像中分离出前向街景图像和偏振天光图像并进行预处理，再根据纳米光栅偏振阵列排布规律从偏振天光图像中计算出大气偏振模式。
优选地，所述步骤(4)包括：首先提取拜尔滤光阵列中红色滤光片覆盖的所有像素组合形成前向街景偏振图像，提取拜尔滤光阵列中蓝色滤光片覆盖的所有像素组合形成垂向天光偏振图像；对于前向街景偏振图像，通过计算微偏振阵列中0°和90°对应的像素值的和，消除偏振特性，得到非偏的前向街景图像；对于垂向天光偏振图像利用斯托克斯矢量计算出偏振角图像和偏振度图像，进而得到大气偏振模式。
本发明对比现有技术，具有以下优势和特点：
(1)本发明所述系统，首次提出了一种前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统。该装置通过对波长和偏振的双重调制，实现了基于单一传感器的两个方向两种偏振特性的光的同步快速成像，具有体积小、系统集成度高和同步性好的优点。
(2)本发明所述系统，能够将仿生偏振导航和视觉导航合理结合，有效克服单一视觉导航缺少方向基准、易产生纯旋转误差和环境适应性差的缺点，克服单一放生偏振导航信息量较少的问题，提高导航的精度与环境适应性。
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 (10)
1.前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其特征在于：其包括：第一带通滤光片(1)、第二带通滤光片(2)、偏振分光棱镜(3)、成像镜头(4)、彩色偏振相机(5)、POE(6)、上位机(7)和电源模块(8)；
该系统安装于无人运动平台上，其成像光轴垂直于水平面指向天空；来自前向街景的无偏振的自然光通过第一带通滤光片入射到本成像系统中，经偏振分光棱镜反射后，到达成像镜头；来自天空的散射天光是部分偏振光，经第二带通滤光片入射到本系统中，其中的偏振成分经偏振分光棱镜透射后，到达成像镜头；混叠的前向街景无偏振光和垂向偏振天光通过成像镜头由彩色偏振相机成像；
彩色偏振相机内部集成有纳米光栅偏振阵列、拜尔滤光阵列和光电探测器阵列，实现混叠图像的采集；上位机对采集到的混叠图像进行处理，首先按照拜尔滤光阵列的排布规律，从采集到的混叠图像中分离出前向街景图像和偏振天光图像并进行预处理，再根据纳米光栅偏振阵列排布规律从偏振天光图像中计算出大气偏振模式；POE执行上位机与彩色偏振相机之间的数据传输，并为彩色偏振相机提供直流供电；电源模块为上位机和POE提供交流供电。
2.根据权利要求1所述的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其特征在于：所述第一带通滤光片的通带中心波长处于所述彩色偏振相机中拜尔滤光阵列红光透过率高的波段。
3.根据权利要求2所述的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其特征在于：所述第一带通滤光片的通带中心波长为630nm。
4.根据权利要求3所述的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其特征在于：所述第二带通滤光片的通带中心波长处于所述彩色偏振相机中拜尔滤光阵列蓝色光透过率高的波段。
5.根据权利要求4所述的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其特征在于：所述第二带通滤光片的通带中心波长为450nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其特征在于：所述彩色偏振相机使用的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，一个计算单元内包含至少三种不同线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。
7.根据权利要求6所述的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其特征在于：所述彩色偏振相机使用的图像探测器阵列为Sony IMX250MYR；其拜尔滤光阵列的排布规律为：每四个相邻的像元为一个计算单元，每个单元覆盖同颜色微滤光片，红色、蓝色、绿色的微滤光片交错排布；滤光特性曲线中，红光与蓝光的中心波长分别是450nm至470nm、610nm至630nm；其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，一个计算单元内包含0°、45°、90°、135°四种不同偏振角度的纳米光栅。
8.根据权利要求7所述的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统，其特征在于：根据所述彩色偏振相机的拜尔滤光阵列和纳米光栅微偏振阵列的排布规律，上位机对采集到的混叠图像进行处理：首先提取拜尔滤光阵列中红色滤光片覆盖的所有像素组合形成前向街景偏振图像，提取拜尔滤光阵列中蓝色滤光片覆盖的所有像素组合形成垂向天光偏振图像；对于前向街景偏振图像，通过计算微偏振阵列中0°和90°对应的像素值的和，消除偏振特性，得到非偏的前向街景图像；对于垂向天光偏振图像利用斯托克斯矢量计算出偏振角图像和偏振度图像，进而得到大气偏振模式。
9.前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统的工作方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)该系统安装于无人运动平台上，其成像光轴垂直于水平面指向天空；
(2)来自前向街景的无偏振的自然光通过第一带通滤光片入射到本成像系统中，经偏振分光棱镜反射后，到达成像镜头；来自天空的散射天光是部分偏振光，经第二带通滤光片入射到本系统中，其中的偏振成分经偏振分光棱镜透射后，到达成像镜头；
(3)混叠的前向街景无偏振光和垂向偏振天光通过成像镜头由彩色偏振相机成像；彩色偏振相机内部集成有纳米光栅偏振阵列、拜尔滤光阵列和光电探测器阵列，实现混叠图像的采集；
(4)上位机对采集到的混叠图像进行处理，首先按照拜尔滤光阵列的排布规律，从采集到的混叠图像中分离出前向街景图像和偏振天光图像并进行预处理，再根据纳米光栅偏振阵列排布规律从偏振天光图像中计算出大气偏振模式。
10.根据权利要求9所述的前向街景与垂向天光复用的偏振成像系统的工作方法，其特征在于：所述步骤(4)包括：首先提取拜尔滤光阵列中红色滤光片覆盖的所有像素组合形成前向街景偏振图像，提取拜尔滤光阵列中蓝色滤光片覆盖的所有像素组合形成垂向天光偏振图像；对于前向街景偏振图像，通过计算微偏振阵列中0°和90°对应的像素值的和，消除偏振特性，得到非偏的前向街景图像；对于垂向天光偏振图像利用斯托克斯矢量计算出偏振角图像和偏振度图像，进而得到大气偏振模式。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116519137A (zh) * | 2023-07-04 | 2023-08-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种协同式偏振型天光背景辐射测量装置及方法 |
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2022
- 2022-11-07 CN CN202211386413.9A patent/CN115752467A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116519137A (zh) * | 2023-07-04 | 2023-08-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种协同式偏振型天光背景辐射测量装置及方法 |
| CN116519137B (zh) * | 2023-07-04 | 2023-09-15 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种协同式偏振型天光背景辐射测量装置及方法 |
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