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CN116817961A - 一种基于改进偏振场奇异点模型的仿生偏振传感器现场校准方法 - Google Patents

一种基于改进偏振场奇异点模型的仿生偏振传感器现场校准方法 Download PDF

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CN116817961A
CN116817961A CN202211409188.6A CN202211409188A CN116817961A CN 116817961 A CN116817961 A CN 116817961A CN 202211409188 A CN202211409188 A CN 202211409188A CN 116817961 A CN116817961 A CN 116817961A
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error
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calibration
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Inventor
张亚
李广民
高伟
于飞
夏秀玮
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Harbin Institute of Technology
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Harbin Institute of Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于改进偏振场奇异点模型的仿生偏振光航向测量方法。受制于制造工艺的限制,图像式偏振光传感器的性能很大程度上受制于偏振相机的标定参数。传统的室内标定方法需要复杂的仪器设备及标定流程,难以满足无人系统长航时、自主导航的需求。本文提出了一种基于改进偏振场奇异点模型的偏振光传感器现场校准技术,首先构建偏振光传感器的误差模型,然后利用惯导系统提供的姿态信息构建偏振光传感器探测天空偏振模式的理论真值,进而结合实测值估计出传感器的误差参数。而在理论真值的构建过程中,若直接使用传统的Rayleigh模型,会导致大气环境误差与传感器误差严重耦合。因此为了使大气环境误差与传感器误差相分离,采用改进偏振场奇异点模型对天空偏振模式进行表征。

Description

一种基于改进偏振场奇异点模型的仿生偏振传感器现场校准 方法
技术领域
本发明涉及仿生偏振光导航领域,特别是涉及一种基于基于改进偏振场奇异点模型的仿生偏振传感器现场校准方法。
背景技术
全球卫星定位系统(GNSS)失效或磁干扰条件下的绝对航向测量是一个富有挑战性的问题。惯性测量单元由于存在累计误差的缺点,无法满足长航时、全自主的导航需求。受此启发,学者们开展了大量的仿生偏振光绝对航向测量相关研究。偏振光传感器主要分为点源式和图像式两种。但是电源式偏振光传感器一次只能测量一个方向上的偏振信息,容易受到环境干扰,鲁棒性较差。因此,图像式偏振光传感器受到越来越多的关注,如何利用采集到的偏振图像获得更鲁棒、更精确的导航信息逐渐成为当下的研究热点。
受制造工艺限制,传感器误差同样会对偏振光航向测量产生较大影响,因此需要对偏振光传感器进行标定操作。传统方法通过建立了关于CMOS光强响应误差和偏振器安装角误差的偏振光传感器误差模型,并使用最小二乘法迭代求解误差参数。将耦合系数引入点源式偏振光传感器误差模型中,可以解决了探测器光路耦合及消光比不一致问题。在校正模型中引入消光比系数来统一两个正交通道的光强,可以提高了传感器误差模型参数估计的精度。考虑偏振相机主点误差的影响的Stokes矢量的偏振光传感器误差模型,可以进一步提高了误差模型的准确性。但是上述传统的偏振光传感器均需要在室内进行,并且需要积分球光源等昂贵的仪器设备及繁琐的标定流程。
受制于制造工艺的限制,图像式偏振光传感器的性能很大程度上受制于偏振相机的标定参数。传统的室内标定方法需要复杂的仪器设备及标定流程,难以满足无人系统长航时、自主导航的需求。本专利提出了一种基于改进偏振场奇异点模型的偏振光传感器现场校准技术,首先构建偏振光传感器的误差模型,然后利用惯导系统提供的姿态信息构建偏振光传感器探测天空偏振模式的理论真值,进而结合实测值估计出传感器的误差参数。而在理论真值的构建过程中,若直接使用传统的Rayleigh模型,会导致大气环境误差与传感器误差严重耦合。因此为了使大气环境误差与传感器误差相分离,采用改进偏振场奇异点模型对天空偏振模式进行表征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够将传感器误差与天空偏振模型误差相分离并提高航向测量精度的基于改进偏振场奇异点模型的仿生偏振光传感器现场校准方法。
实现本发明目的的技术方案为:一种基于改进偏振场奇异点模型的仿生偏振光传感器现场校准方法,包括以下步骤:
步骤一:安装图像式仿生偏振光传感器现场校准系统,主要由偏振光传感器、光纤惯导系统、铝合金支架、阻尼三脚架、蓄电池、直流稳压电源和笔记本电脑组成。其中,偏振光传感器与惯导系统同时固定在铝合金支架上,阻尼三脚架作为铝合金支架的支撑,方便数据采集过程中调整偏振传感器的位姿。
步骤二:系统上电后,首先进行光纤惯导系统的初始对准,然后根据惯导系统的姿态输出数值进行调平,俯仰和横滚失准角控制在1°以内。将校准装置每隔Δ°进行旋转,获得M组航向状态下的天空偏振角(AOP)和偏振度(DOP)图像。并且每幅图像都对应一个惯导系统的输出姿态值[pitchm,rollm,headm]T,其中pitchm,rollm,headm分别为惯导系统第m个航向状态下的俯仰、横滚和航向值。利用采集到的AOP图像进行航向测量实验及偏振光传感器现场校准实验。
步骤三:构建M个状态下的太阳矢量理论值。结合当地的地理位置、时间计算出第m张图片导航坐标系下的太阳高度角和方位角/>进而可以获得偏振传感器系下的太阳高度角和方位角的理论值为
式中和/>为当第m个航向状态下的偏振光传感器坐标系太阳方位角和高度角。
步骤四:构建M个状态下的天空AOP图像理论值。将第m幅图像的待标定光强矢量带入到改进偏振场奇异点模型公式
ζ为当前观测矢量地平面投影的复数表示,ζ1、ζ2、ζ3'、ζ4'为原始中性点ζ+、ζ-、-k1m+ *、-k2m- *绕z轴后的结果,该中性点位置可以通过偏移太阳矢量投影点一定距离求出,该偏移距离与大气浑浊度有关。再使用最小二乘方法拟合出[Am,k1m,k2m],Am为大气浑浊度参数,k1m和k2m为中性点位置的修正系数。则当前航向状态的偏振信息的复数表征为N表示参与计算的像素点个数,i表示像素点索引。对应的AOP理论值为/>可通过表征模型的实部获得。
步骤五:构建偏振光传感器现场校准的最小化目标函数。
上式中为偏振角理论值,/>关于标定参数向量的偏振角计算函数。标定参数向量定义为,/>λk为CMOS相机单个偏振单元第k个像素通道的比例系数,δk为偏置系数,βk为当前偏振单元第k个像素通道的入射光强衰减参数;/>表示带有误差的偏振片安装角,ηk即为消光比系数不一致误差参数。
步骤六:最后进行偏振光传感器的标定。取每幅图片相同索引的偏振单元的CMOS响应矢量与AOP理论值和/>i为当前观测矢量的索引,/>表示第m个图片的第i个像素的光强响应矢量。带入公式AOP修正值与理论值的最小化目标误差函数中,即可通过最小化测量AOP与理论AOP差异,求解当前偏振单元的偏振传感器误差参数yi。循环迭代,直至所有目标区域的偏振单元均完成误差参数的求解,获得偏振传感器误差参数集合
在步骤五中,构建偏振光传感器现场校准的最小化目标函数,具体方法为:
需要标定的模型参数主要有CMOS光敏一致性误差参数λk、δk和阵列式偏振器误差参数βk、ηk若某个偏振单元的CMOS探测光强响应矢量为[Icmos1,Icmos2,Icmos3,Icmos4]T,偏振响应的光强矢量/>可以表示为:
λk为CMOS相机单个偏振单元第k个像素通道的比例系数,δk为偏置系数根据阵列式偏振器误差模型,校正后的偏振信息与偏振响应的光强矢量的关系可以表示为矩阵形式:
式中表示入射光校正后的偏振矢量,φc和dc为校正后的AOP和DOP;H表示阵列式偏振器模型的校准系数矩阵,βk为当前偏振单元第k个像素通道的入射光强衰减参数;/>表示带有误差的偏振片安装角,ηk即为消光比系数不一致误差参数。由于该系数矩阵无法求逆,因此采用最小二乘法求解/>为:
从而获得校准后的偏振角和偏振度和/>sk,k=0,1,2表示向量中的对应元素。若获得M组偏振响应图像,每幅图像有N个偏振单元参与计算,并且将每幅图像的第i个偏振单元作为标定向量,从而获得CMOS光强响应矢量群Q及该偏振单元的理论偏振角向量/>和/>若将校正偏振角表示为关于标定参数向量的函数/>则可以通过建立AOP修正值与理论值的最小化目标误差函数来求解误差模型参数:
上式中为偏振角理论值,/>关于标定参数向量的偏振角计算函数。为待标定参数向量。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)将奇异点修正系数引入天空偏振模式偏振场奇异点表征模型中,提高偏振模式的表征能力;
(2)使用该模型构建偏振角的理论值,对偏振光传感器的误差参数进行室外现场校准;
(3)能够将传感器误差与天空偏振模型误差相分离,无需昂贵的仪器设备及复杂的标定流程即可提高偏振光航向测量精度。
附图说明
图1为本发明流程示意图;
图2图像式偏振光传感器结构示意图;
图3实验设备及流程示意图;
图4单个偏振单元AOP校准误差曲线图
图5天气变化条件下不同模型航向测量误差结果对比图
具体实施方式
下面结合附图1本发明流程示意图对本发明进一步说明。
本研究搭建的偏振传感器主要由鱼眼镜头、偏振相机组成,其结构如下图2所示。大气中的散射光通过鱼眼镜头后入射到阵列式偏振单元上。每个偏振单元由四个相邻像素通道组成,对应通道的偏振器安装方向分别为0°、45°、90°和135°。散射光通过偏振器后在CMOS芯片上进行成像。偏振光传感器的误差主要来源有光强相应不一致误差、偏振片安装误差和消光比系数不一致误差组成。
根据马吕斯定律,第i个偏振单元内的像素通道的光强响应值可以表示为:
Ipk=0.5I[1+dcos(2φ-2αk)]
上式中k=1,...4,Ipk表示偏振片安装角度为0°、45°、90°和135°的像素通道光强值;I表示入射光的光强;d表示入射光的DOP信息;表示偏振传感器系下的AOP信息;αk对应像素通道的偏振片安装角。光的偏振态可用斯托克斯矢量描述为
则该偏振单元的偏振角和偏振度为ψi=0.5arctan(s2,s1),
然后构建偏振光传感器的误差模型。偏振度定义为偏振光占总光强的比例,实际测量过程中的偏振度测量的准确性很大程度上受偏振片消光比系数的影响。而受制造工艺的限制,不同偏振片的消光比系数不可能完全一致,从而导致偏振度d产生一定的偏差。除了偏振片的消光比系数不一致外,阵列式偏振器与相机的CMOS芯片之间的安装不对准也会影响偏振信息获取的准确性,导致光路信息的耦合,如图3所示。而且阵列式偏振单元的的不同偏振通道还会对入射偏振光产生一定的衰减:
式中βk为当前偏振单元第k个像素通道的入射光强衰减参数;表示带有误差的偏振片安装角,ηk即为消光比系数不一致误差参数。
入射光通过阵列式偏振器后被CMOS相机采集。由于光电二极管的差异和电路的热效应,CMOS相机上每个像素通道的光敏响应强度都是不一致的,导致偏振传感器测量精度下降。因此考虑光敏一致性误差,入射光强与CMOS响应光强的映射光强建模为:
Icmosk=λkIpkk
λk为CMOS相机单个偏振单元第k个像素通道的比例系数,δk为偏置系数,Icmosk为该像素通道的光强响应值,Ipk为通过该偏振器的输出光强值,从而构建出完整的偏振光传感器误差模型。
在建立了仿生偏振光传感器误差模型后,需要标定的模型参数主要有CMOS光敏一致性误差参数λk、δk和阵列式偏振器误差参数βk、ηk若某个偏振单元的CMOS探测光强响应矢量为[Icmos1,Icmos2,Icmos3,Icmos4]T,则根据偏振响应的光强矢量/>可以表示为:
根据阵列式偏振器误差模型,校正后的偏振信息与偏振响应的光强矢量的关系可以表示为矩阵形式:
式中表示入射光校正后的偏振矢量,φc和dc为校正后的AOP和DOP;H表示阵列式偏振器模型的校准系数矩阵。由于该系数矩阵无法求逆,因此采用最小二乘法求解/>为:
从而获得校准后的偏振角和偏振度:
若获得M组偏振响应图像,每幅图像有N个偏振单元参与计算,并且将每幅图像的第i个偏振单元作为标定向量,从而获得CMOS光强响应矢量群Q及该偏振单元的理论偏振角向量
标定参数向量定义为:
若将校正偏振角表示为关于标定参数向量的函数则可以通过建立AOP修正值与理论值的最小化目标误差函数来求解误差模型参数:
但是若直接采用Rayleigh模型求解偏振传感器的理论AOP值,会导致多次散射误差与传感器误差产生耦合。因此,本文提出的基于改进偏振场奇异点模型的现场校准方法的具体步骤为:
首先将偏振光传感器与惯导系统固定在铝合金支架上,将惯导系统调平后将校准装置每隔Δ°进行旋转,获得M组航向状态下的天空AOP图像。并且每幅图像都对应一个惯导系统的输出姿态值[pitchm,rollm,headm]T,其中pitchm,rollm,headm分别为惯导系统第m个航向状态下的俯仰、横滚和航向值。若每幅图片有N个像素参与计算,可以获得CMOS光强响应矢量集合 表示第m个图片第i个像素的光强响应矢量。
然后构建M个状态下的天空AOP图像理论值。结合当地的地理位置、时间计算出第m张图片导航坐标系下的太阳高度角和方位角/>进而可以获得偏振传感器系下的太阳高度角和方位角的理论值为
再构建改进偏振奇异点模型,用笛卡尔坐标系表示天球上的某一观测矢量OP(x,y,z)在地平面的投影的复数形式为ζ=x+iy。该投影点在极坐标系中的复数表示为ζ=rexp(iδ)。
为了使偏振场奇异点模型的∞形状饱和度更接近真实值,本文引入两个系数k1和k2对反太阳位置两侧的中性点位置进行校正,则初始的中性点坐标可以表示为:
-1/ζ*为ζ的反对称点,ζ+、ζ-、-k1+ *、-k2- *为太阳位置与反太阳位置两侧的中性点。从而获得包含当前观测方向偏振信息的基于改进偏振场奇异点模型的天空偏振模式实时表征函数:
上式中α为太阳方位角α、β为太阳高度角β、A为大气浑浊度参数A,r为当前观测矢量对应地平面上投影圆的半径。ζ1、ζ2、ζ3'、ζ4'为初始的中性点坐标ζ'绕z轴一定角度后的坐标值,该角度为旋转传感器坐标系下的太阳矢量的方位角一半。
将第m幅图像的待标定光强矢量带入到改进偏振奇异点模型公式中,拟合出的大气浑浊度参数为[Am,k1m,k2m],则当前航向状态的偏振信息的复数表征为对应的AOP理论值为/>
最后进行偏振光传感器的标定。取每幅图片相同索引的偏振单元的CMOS响应矢量与AOP理论值和/>带入AOP修正值与理论值的最小化目标误差函数中,即可通过最小化测量AOP与理论AOP差异,求解当前偏振单元的偏振传感器误差参数yi。循环迭代,直至所有目标区域的偏振单元均完成误差参数的求解,获得偏振传感器误差参数集合
为验证本文提出的改进偏振场奇异点模型在航向测量与现场校准方法中的有效性,于2022年3月9日15:30进行偏振光传感器户外数据采集。实验在哈尔滨工业大学科创大厦(经度126.6236、纬度45.7261、海拔148.74m)进行。实验设备如图3所示,主要由偏振光传感器、光纤惯导系统、铝合金支架、阻尼三脚架、蓄电池、直流稳压电源和笔记本电脑组成。其中,偏振光传感器与惯导系统同时固定在铝合金支架上,阻尼三脚架作为铝合金支架的支撑,方便数据采集过程中调整偏振传感器的位姿。实验中采用的光纤惯导系统陀螺零偏为0.02°/h,其姿态精度与GPS组合后可达0.1°。系统上电后,首先进行光纤惯导系统的初始对准,然后根据惯导系统的姿态输出数值进行调平,俯仰和横滚失准角控制在1°以内。然后每10°手动旋转一次偏振光传感器,每次采集10幅天空偏振图像。从而获得360幅天空偏振模式图。利用采集到的AOP图像进行偏振光传感器现场校准实验。
偏振光传感器在实际应用中由于制造工艺的限制,AOP测量精度会受到光强响应一致性误差、偏振器安装误差和消光比一致性误差的影响。为验证本文提出的基于改进偏振场奇异点模型的优势,利用上文采集的360幅AOP图片进行现场校准实验。实验过程中对视场角FOV=88°内的所有像素通道的光强响应误差参数、偏振器安装误差参数、消光比误差参数进行标定。,对单帧图像拟合出偏振表征参数后,构建理论AOP图像,并进行进一步的传感器误差参数求解。标定前后的单个偏振单元AOP值及误差值如图4所示,标定前的实测AOP相对改进偏振场奇异点模型的理论值存在较大的周期性误差。标定后误差明显减小,且周期性误差被很好的抑制。因此,本文算法可以很好的克服传感器误差参数对AOP测量的影响,提高AOP测量精度。
我们在当天下午同一地点的14:30时刻,按照同样的采集方式,航向每隔10°采集10幅偏振图像。对采集到的360幅偏振图像的偏振单元CMOS光强响应值进行校正,FOV视场角设置为88.0°。对Rayleigh和改进偏振场奇异点模型校正结果计算航向。最后与光纤惯导系统输出的航向值进行比较,单帧图像对应的偏振光航向测量偏差如图5所示。基于Rayleigh模型校准结果的的航向测量存在较大的波动,而基于偏振场奇异点模型和本文模型的航向测量结果在实验过程中一直保持平稳,且偏差较小。Rayleigh模型由于没有考虑气溶胶退偏效应的影响,当太阳高度角变化时,中性点的位置同样随之变化,破坏了Rayleigh模型的表征特征,导致基于Rayleigh模型校准结果的的航向测量结果较差。而偏振场奇异点模型与本文方法均考虑了天空偏振模式中的中性点,能够很好的适应太阳高度角变化对航向测量的影响,而且本文提出的基于改进偏振场奇异点模型的现场校准与航向测量方法,能够很好的修正AOP图像的∞形状饱和度,相对Rayleigh模型校准结果航向测量误差降低89.33%,验证了本文方法的优势及广阔的应用前景。

Claims (1)

1.一种基于改进偏振场奇异点模型的仿生偏振光传感器现场校准方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:安装图像式仿生偏振光传感器现场校准系统,主要由偏振光传感器、光纤惯导系统、铝合金支架、阻尼三脚架、蓄电池、直流稳压电源和笔记本电脑组成。其中,偏振光传感器与惯导系统同时固定在铝合金支架上,阻尼三脚架作为铝合金支架的支撑,方便数据采集过程中调整偏振传感器的位姿。
步骤二:系统上电后,首先进行光纤惯导系统的初始对准,然后根据惯导系统的姿态输出数值进行调平,俯仰和横滚失准角控制在1°以内。将校准装置每隔Δ°进行旋转,获得M组航向状态下的天空偏振角(AOP)和偏振度(DOP)图像。并且每幅图像都对应一个惯导系统的输出姿态值[pitchm,rollm,headm]T,其中pitchm,rollm,headm分别为惯导系统第m个航向状态下的俯仰、横滚和航向值。利用采集到的AOP图像进行航向测量实验及偏振光传感器现场校准实验。
步骤三:构建M个状态下的太阳矢量理论值。结合当地的地理位置、时间计算出第m张图片导航坐标系下的太阳高度角和方位角/>进而可以获得偏振传感器系下的太阳高度角和方位角的理论值为
式中和/>为当第m个航向状态下的偏振光传感器坐标系太阳方位角和高度角。
步骤四:构建M个状态下的天空AOP图像理论值。将第m幅图像的待标定光强矢量带入到改进偏振场奇异点模型公式
ζ为当前观测矢量地平面投影的复数表示,ζ1、ζ2、ζ3'、ζ4'为原始中性点ζ+、ζ-、-k1m+ *、-k2m- *绕z轴后的结果,该中性点位置可以通过偏移太阳矢量投影点一定距离求出,该偏移距离与大气浑浊度有关。再使用最小二乘方法拟合出[Am,k1m,k2m],Am为大气浑浊度参数,k1m和k2m为中性点位置的修正系数。则当前航向状态的偏振信息的复数表征为N表示参与计算的像素点个数,i表示像素点索引。对应的AOP理论值为/>可通过表征模型的实部获得。
步骤五:构建偏振光传感器现场校准的最小化目标函数。
上式中为偏振角理论值,/>关于标定参数向量的偏振角计算函数。标定参数向量定义为,/>λk为CMOS相机单个偏振单元第k个像素通道的比例系数,δk为偏置系数,βk为当前偏振单元第k个像素通道的入射光强衰减参数;/>表示带有误差的偏振片安装角,ηk即为消光比系数不一致误差参数。
步骤六:最后进行偏振光传感器的标定。取每幅图片相同索引的偏振单元的CMOS响应矢量与AOP理论值和/>i为当前观测矢量的索引,/>表示第m个图片的第i个像素的光强响应矢量。带入公式AOP修正值与理论值的最小化目标误差函数中,即可通过最小化测量AOP与理论AOP差异,求解当前偏振单元的偏振传感器误差参数yi。循环迭代,直至所有目标区域的偏振单元均完成误差参数的求解,获得偏振传感器误差参数集合/>
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118010010A (zh) * 2024-01-18 2024-05-10 中北大学 基于天空区域先验和变换域形态模板匹配的偏振定向方法
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