一種基于天空光的新型成像式仿生偏振導航傳感裝置*

李 彬， 關 樂， 劉 琦， 褚金奎

(大連理工大學 精密特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023)

一種基于天空光的新型成像式仿生偏振導航傳感裝置*

李 彬， 關 樂， 劉 琦， 褚金奎

(大連理工大學 精密特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023)

模仿昆蟲偏振導航機理，設計了成像式仿生偏振導航傳感裝置樣機。研究了天空光偏振分布模型，分析了成像式仿生偏振導航傳感裝置工作原理。解決了一般探測裝置解算偏振參數需要上位機輔助的問題，使用CMOS圖像傳感器和數字信號處理器，實時輸出導航角度。進行了室內、室外裝置性能測試，獲得了3個方向偏振分量標準化強度曲線。實驗結果表明：傳感裝置室內外角度測量誤差分別為-0.8°～0.3°，-1.2°～1.4°，能夠較高精度地輸出導航角度，可以滿足實時導航定位的需要。

偏振導航； 天空光偏振分布模型； 數字信號處理器； CMOS圖像傳感器

0 引 言

現代生物學家通過研究發現，蜣螂等昆蟲能夠利用其偏振視覺(對天空光偏振方向極其敏感的視覺組織、器官與神經系統)分析天空中存在的一個相對穩定的偏振光(polarized light，POL)分布模式圖來進行導航定位[1]。這種基于天空光的仿生偏振導航方式不受電磁干擾，誤差不隨時間累積，具有廣闊的應用前景。

2000年,國外學者Lambrinos D與M?ller R等人首先將昆蟲偏振導航原理應用于機器人的開發中，研制了基于偏振光導航的Sahabot移動機器人[2]。國內，大連理工大學褚金奎教授課題組在國內首先于2004年開展了天空偏振光分布規律和偏振光多通道式仿生微納導航傳感器的研究，驗證了仿生偏振導航的可行性[3,4]。

目前，國內外的研究主要集中在白天天空偏振光分布模式理論建模與測試、偏振導航傳感器測角模型與誤差分析以及考慮偏振導航增強的組合導航方法方面的研究[5～9]。對于微型化、單片集成化的成像式仿生偏振導航傳感裝置的研究尚處于初級階段。

本文模仿昆蟲偏振視覺結構，結合商用CMOS圖像傳感器與數字信號處理器(DSP)芯片研制了一種新型成像式仿生偏振導航傳感裝置樣機，進行了導航角度輸出測試。與傳統的導航設備相比，它具有體積小、重量輕、集成度高、光敏感性能好、抗干擾能力強等優點。

1 天空光偏振分布模型

天空光的偏振現象是由于光被大氣中粒子散射所引起的。大氣中的光散射主要有M?ll散射和Rayleigh散射。其中，Rayleigh散射是由比波長小得多的粒子引起的；而大氣中的氧氣、氮氣分子都小于光波長，很好地符合了Rayleigh散射模型[10]。Rayleigh散射過程如圖1所示。

圖1 Rayleigh散射過程示意圖Fig 1 Diagram of Rayleigh scattering process

(1)

由上式可以看出:散射后光束的偏振分量不一定相等，即大氣粒子的散射改變了光的偏振狀態。

若以瑞利散射理論為基礎，基于Stokes矢量方程和地平坐標系，可以計算偏振度和偏振方位角，建立天空光偏振分布模型。

圖2 地平坐標系Fig 2 Horizontal coordinate system

其中，θs為太陽高度角，ψs為太陽方位角，θ為測量高度角，ψ為測量方位角。當太陽S三維坐標為(r，θs，ψs)時，r為球體半徑，空間任意一點R(r，θ，ψ)處偏振度為

P=Pmax(1-cos2y)/(1+cos2y).

(2)

其中

cosy=sinθssinθcosθscosθ.

該點處的偏振方位角為

(3)

由上式可以看到，在一天的一定時刻、一定位置，天空中具有相對穩定的光偏振分布模式，這個相對穩定的光偏振分布模式可以為導航提供所需的信息。

2 成像式仿生偏振傳感裝置工作原理

偏振光的數學描述一般采用電矢分量法、瓊斯矢量法、斯托克斯矢量法及布卡爾球作圖表示法4種方法。因為斯托克斯矢量在宏觀上具有很好的可測量性，所以,這里使用它表征天空光的偏振態。在斯托斯矢量法中，光束可以用4個實數來表示，即

S=[I,Q,U,V]T.

(4)

其中，I為照射在像素單元上的天空光總強度，Q為0°方向線偏振光分量強度，U為45°線偏振光分量強度，V為圓偏振分量強度。

在大氣偏振測量場合，圓偏振分量V的測量值幾乎可以忽略。因此，若假設入射天空光的斯托斯矢量為S，當偏振片主透光軸與設定的零度參考線之間夾角為ψ，偏振片對其偏振狀態的改變可以用MULLER矩陣表示[11]，有

(5)

因為成像式仿生偏振傳感裝置可以直接測量的是光的總強度I，所以,在這里只關心MULLER矩陣的第一行,即

(6)

因此，只要測量3個不同ψ角下出射光束的強度，就可以聯立求解出入射光束的I,Q,U。選取ψ角，0°,45°,90°，得方程組

(7)

整理可得

(8)

進而得入射光束的偏振方位角χ等參數

(9)

由于一定時間、地點的天空光偏振狀態是固定的，因此,由上式就可以計算相應位置的導航角度。但偏振參數的解算是一項繁瑣的工程，一般探測裝置仍需要上位機輔助，成像式仿生偏振導航傳感裝置硬件核心擁有DSP，能夠獨立完成參數計算，從而實時有效地輸出導航角度。

3 成像式仿生偏振導航傳感裝置設計

3.1 硬件設計

傳感裝置的硬件設計如圖3所示。

圖3 傳感裝置硬件框圖Fig 3 Hardware block diagram of sensing device

整個系統主要由CMOS圖像傳感器與DSP組成。DSP通過I2C接口控制CMOS圖像傳感器的像素時鐘和采集觸發，并從CMOS圖像傳感器提取偏振強度數據進行計算。

偏振參數的解算需要實時刷新采集數據，進行高強度數據解析，對運算處理速度要求很高，且圖像處理系統計算結果需要隨時通過串口或網口發送至上位PC機。因此,選擇TI公司生產的TMS320DM642作為核心芯片,它具有運算速度快，外設資源豐富等特點。

圖像采集部分使用鎂光公司生產的MT9M001圖像傳感器。MT9M001是一種高性能幀曝光CMOS圖像傳感器，分辨率為1280像素×1024像素，像元尺寸為5.2μm×5.2μm，且幀頻可編程。數據存儲部分采用大容量、低成本的SDRAM(同步動態隨機存儲器)芯片，其能夠很好地實現與DSP的無縫連接。

3.2 軟件設計

傳感裝置軟件設計采用模塊化的設計思路，整個軟件系統按照實現功能不同劃分成不同模塊。實際運行過程中，硬件中斷、軟件中斷及任務線程按照優先級調用各模塊，實現相應的功能。如利用I2C等接口協議，實現偏振圖像數據的獲取、傳輸和處理、偏振圖像斯托克斯矢量參數計算、偏振度和偏振方位角的計算等功能。

具體裝置軟件流程為：

1)天空光經過偏振片過濾后，照射在CMOS圖像傳感器感光區域上，輸出含有偏振信息的數字圖像；

2)利用嵌入式DSP完成含有天空光偏振信息的數字圖像中偏振像素單元偏振方位角χ的提取；

3)再根據瑞利散射理論、斯托克斯矢量方程和地平坐標系，利用天體理論中相關公式，結合提取的偏振像素單元偏振方位角χ得到零度參考線與地理正北方向夾角等航向信息；

4)最后，通過網口或串口將導航角度發送至上位PC上顯示輸出，實現導航定位的目的。

其工作流程圖如圖4。

圖4 傳感裝置工作流程圖Fig 4 Work flow chart of sensing device

4 實驗測試

4.1 室 內

搭建的成像式仿生偏振導航傳感裝置模型如圖5。

圖5 成像式仿生偏振導航傳感裝置模型Fig 5 Imaging bionic polarization navigation sensing device model

成像式仿生偏振導航傳感裝置在室內進行性能測試時，通過積分球得到的穩定的均勻光源，在光源出口位置加上線偏振器得到線偏振光，將待測試裝置放在精密轉臺上固定，通過旋轉轉臺使裝置獲得不同方向的偏振光。入射光電矢量方向變化步長為10°，測量0°～170°內共18個不同方向。

CMOS圖像傳感器上覆蓋具有0°,45°,90° 3個不同方向的偏振片，如圖6。

圖6 偏振片結構示意圖Fig 6 Diagram of polarizer structure

一定方向偏振光測量時，CMOS圖像傳感器可以同時獲得3個不同方向偏振分量強度信息，強度曲線如圖7。

圖7 歸一化的不同方向偏振分量的強度曲線(室內)Fig 7 Normalized intensity curve of polarized component in various directions(indoor)

根據強度數據，計算得入射光束偏振方位角χ等偏振參數，使用最小二乘支持向量機法進行補償后，其誤差曲線如圖8。

圖8 誤差曲線(室內)Fig 8 Curve of error (indoor)

4.2 室 外

成像式仿生偏振導航傳感裝置在室外測試，地點大連理工大學機械棟樓南側停車場，時間2013年11月19日下午3點，光源為天空光，將傳感裝置固定在精密轉臺上，旋轉轉臺,入射光束偏振方向相對變化步長為10°，測量0°～160°內共17個不同的偏振方向,CMOS圖像傳感器上覆蓋室內相同的具有0°,45°,90° 3個不同方向的偏振片。天空光測量時，CMOS圖像傳感器可以同時獲得3個不同方向偏振分量的強度信息，強度曲線如圖9。

圖9 歸一化的不同方向偏振分量的強度曲線(室外)Fig 9 Normalized intensity curve of polarized component in various directions(outdoor)

根據強度數據，計算得入射光束偏振方位角χ等偏振參數，使用最小二乘法進行補償后，其誤差曲線如圖10。

圖10 誤差曲線(室外)Fig 10 Curve of error (outdoor)

5 結 論

本文模仿昆蟲偏振視覺結構設計的成像式仿生偏振導航傳感裝置樣機，結合了CMOS圖像傳感器和DSP，在保證裝置實時處理性能基礎上，獲得了更多點的天空光偏振信息。經過實驗測試，成像式仿生偏振導航傳感裝置角度測量誤差室內為-0.8°～0.3°，室外為-1.2°～1.4°，能夠較高精度地輸出導航角度，可以滿足實時導航定位的需要。

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[11] 阿扎姆,AzzamRMA,巴夏拉,等.橢圓偏振測量和偏振光[M].北京：科學出版社,1986.

A novel imaging bionic polarization navigation sensing device based on skylight*

LI Bin, GUAN Le, LIU Qi, CHU Jin-kui

(Key Laboratory of Technology Precision & Non-traditional Machining of Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

A novel imaging bionic polarization navigation sensing device proto is designed by employing insect strategies for navigation.The skylight polarization distribution model is studied,and work principle of imaging bionic polarization navigation sensing device solves is analyzed.The problem of normal detection device polarized parameters needs upper PC aided,by using CMOS sensor and DSP,real time output navigation angle.Performance experiments are presented indoor and outdoor,and normalized intensity curves of the polarized component in three directions are obtained.Experimental result indicates that error of angle measurement of sensing device is -0.8°～0.3°(indoor) and -1.2°～1.4°(outdoor),it can output navigation angle with high precision and meet requirement of realtime navigation.

polarization navigation; skylight polarization distribution model; DSP; CMOS image sensor

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0069—04

2014—01—15

國家自然科學基金資助項目(51305057)；國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2011CB302105)

TP 212

A

1000—9787(2014)08—0069—04

李 彬(1989- )，男，湖南湘潭人，碩士研究生，研究方向為成像式仿生偏振導航傳感裝置。