[发明专利]一种基于全天域大气偏振模式成像的定向装置和方法

说明书

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。

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。