基于天空偏振光场的成像式航向测量系统研究

论文摘要

天空偏振光场是一种具有地球自然属性的矢量场,结合昆虫偏振视觉导航机制,利用天空偏振光作为信息源的仿生偏振导航技术具有无误差累积、抗干扰强、隐蔽性好的特点,是目前新概念仿生导航技术的热门研究方向。目前研发的点源式偏振光导航传感器是一种以POL（polarization sensitive neurons）神经元为偏振敏感机制的单方向检测的测量系统,其仿生的昆虫单复眼结构与昆虫阵列式复眼的全天空范围检测特性有差异,因此在鲁棒性和信息完整性上有所欠缺。面向天空偏振光场的成像式偏振导航技术更接近于昆虫的偏振视觉特性,尤其在弱光、多云等环境下,这种方法具有更好的鲁棒性和抗干扰能力。论文基于天空偏振光场成像的航向测量技术的研究现状,从影响偏振光场图像太阳子午线提取的因素和数字信号的偏振数据筛选机制的优化两方面展开了研究,并搭建了基于天空偏振光场的成像式航向测量系统,具体研究内容如下:对比了目前基于偏振光场成像的航向测量方法,首先开展了海上天空偏振光场的长距离偏振成像测试,并在Linux环境下利用Libradtran软件包对测试过程进行了理论仿真,对比分析了长距离航行条件下利用偏振光场图像太阳子午线提供航向基准的可行性。并通过对获取的偏振方位角图和偏振度图的分析,研究了晴朗、多云天气下,影响日夜间天空偏振光场二维成像效果的因素,提出了一种在阈值分割背景下,基于分箱-数据筛选的太阳子午线提取算法。结合斯托克斯矢量偏振成像技术,搭建了三通道的面向天空偏振光场的成像式航向测量系统,该系统由鱼眼镜头、线偏振片、CCD图像传感器和DSP数字信号处理器组成。完成了对各器件的选型,以及三通道图像解码模块的电路设计。设计了测量装置的嵌入式软件系统,搭建了完整的图像采集、偏振角信息计算、太阳子午线提取和航向基准角度输出的程序框架,在DSP嵌入式系统中实现了天空偏振图像采集与航向基准角度的串口实时输出。通过对搭建的成像式偏振光航向测量系统的初步标定,在室内人造偏振光源下验证了该装置和算法提取太阳子午线方向的可行性,实验结果表明:传感器在人造线偏振光源下经补偿后的室内绝对角度误差为±1°;实际的室外天空偏振光源下的实验结果表明:该系统在弱光及有云等低偏振度条件下,经过补偿后的传感器误差在±2.5°左右,具有一定的鲁棒性和实时性。论文的算法研究及系统搭建在一定程度上丰富了基于天空偏振光场特征提取的偏振光导航传感器的现有研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 选题背景与研究意义
•   1.2 偏振光场导航技术研究现状
•     1.2.1 生物偏振视觉及天空偏振光场
•     1.2.2 天空偏振光检测与传感器
•   1.3 论文的研究内容
• 2 天空偏振光场的成像与导航机理
•   2.1 天空偏振光场理论分布规律
•   2.2 偏振成像原理
•     2.2.1 斯托克斯矢量
•     2.2.2 米勒矩阵
•     2.2.3 偏振成像方法
•   2.3 天空偏振光场导航方法与测试
•     2.3.1 天空偏振光场导航机理
•     2.3.2 天空光偏振光场长距离导航验证
•   2.4 本章小结
• 3 成像式航向测量系统的工作原理与硬件方案
•   3.1 工作原理
•   3.2 光学成像模块
•     3.2.1 光学镜头
•     3.2.2 偏振片
•   3.3 图像采集模块
•     3.3.1 CCD图像传感器
•     3.3.2 视频图像解码单元
•   3.4 偏振信息处理模块
•     3.4.1 DM642 数字信号处理器
•     3.4.2 核心板配置
•     3.4.3 外部接口配置
•   3.5 系统搭建
•   3.6 本章小结
• 4 成像式航向测量软件系统与子午线识别算法方案
•   4.1 软件调试工具
•     4.1.1 开发工具
•     4.1.2 在线调试与烧写
•   4.2 软件系统设计
•     4.2.1 软件初始化设置
•     4.2.2 偏振图像采集
•     4.2.3 太阳子午线角度输出
•   4.3 图像处理与偏振信息提取算法
•     4.3.1 偏振信息处理
•     4.3.2 太阳子午线提取算法
•     4.3.3 数据处理与优化
•   4.4 本章小结
• 5 成像式航向测量系统性能测试与误差补偿
•   5.1 系统测试
•     5.1.1 参数配置
•     5.1.2 图像采集测试与标定
•     5.1.3 太阳子午线提取算法测试
•   5.2 室内标定及误差分析
•   5.3 室外性能测试与结果分析
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李世奇

导师: 关乐

关键词: 偏振光,导航,太阳子午线

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,自动化技术

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: Q811;TP212

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000429

总页数: 69

文件大小: 3520K

下载量: 62