1 合肥工业大学计算机与信息学院，安徽 合肥 230601
2 安徽建筑大学电子与信息工程学院，安徽 合肥 230601
针对现有大气偏振模式理论模型单独考虑太阳或月亮的影响，无法充分描述晴朗天气下黎明和黄昏过渡期间天空偏振模式的问题，提出了一种曙暮光影响的大气偏振模式建模方法。该方法引入太阳和月亮的影响，以太阳和月亮位置求解的Stokes矢量为基础，同时考虑了实际天空中大气粒子多次散射的因素，对Stokes矢量优化；分析太阳和月亮对大气偏振模式的影响，确定了太阳和月亮的影响权重；利用偏振角表征大气偏振模式。结果表明，所提模型的仿真结果与实测偏振角具有相同的分布和变化特性，且保持着较高的相似度，能够有效地表征曙暮光影响的大气偏振模式。
大气偏振模式 曙暮光 Stokes矢量 偏振角 偏振光导航 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0501002
1 桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院, 桂林 541004
2 桂林电子科技大学 广西光电信息处理重点实验室, 桂林 541004
3 桂林电子科技大学北海校区 海洋工程学院, 北海 536000
为了避免常用的天空光偏振模式测量仪器中鱼眼镜头所引起的图像边缘区域扭曲的缺点, 采用手机相机和线性偏振片相结合的方法, 进行了理论分析和实际验证, 得到了大气偏振模式的分布情况和中性点位置的数据。结果表明, 实际测量的中性点区域与理论仿真的结果间高度角的偏差为2.4°±2.6°,方位角的偏差为1.4°±0.8°, 证明了测量方法的可行性, 随着天空中云层的增加, 天空光偏振分布图像会发生扭曲, 但仍然可以确定中性点位置, 为天空光偏振仿生导航提供了参考。该研究可用来确定太阳位置、实现自身定向及导航定位, 并且具有易操作、便携等优点, 在一定程度上降低了天空光偏振仿生导航的成本, 提高了民用价值。
散射, 中性点, Rayleigh散射, 大气偏振模式 scattering neutral points Rayleigh scattering skylight polarization pattern
大连理工大学 机械工程学院, 辽宁 大连 116023
为了提高偏振光导航定位的可靠性和实时性, 提出了一种利用多方向偏振光的自主式导航定位方法并搭建了样机。通过样机多方向阵列结构中的偏振光导航传感器实时检测天空多个方向的偏振光信息, 并对这些信息进行优选和融合处理, 计算得到更加可靠且准确的太阳空间位置。最后根据太阳空间位置, 结合时间和地磁场分布信息, 计算样机所在位置的经纬度, 实现实时定位。基于可视化软件LabVIEW编写样机上位机程序, 能够实时采集样机中传感器数据, 同步处理计算且实时显示载体地点经纬度, 数据更新率可达10 Hz。静态测试结果表明, 定位样机性能稳定, 经度方向上的定位精度为±0.4°, 纬度方向上为±1.2°, 定位精度较高, 可应用于实际导航。
偏振光学 实时定位 天空偏振光 自主式导航 polarization optics real-time position skylight polarization autonomous navigation LabVIEW LabVIEW
合肥工业大学 计算机与信息学院，合肥 230009
为了研究大气偏振模式的实际变化规律，在分析了偏振测量装置发展现状的基础上，设计了全天域大气偏振模式实时测量系统，实现了单个主光路下，三路通道不同偏振方向的同时成像。通过光路仿真，优化并搭建了硬件装置，开展了误差分析和标定实验，提高了偏振测量精度，其中，系统线偏振度测量误差小于1.6%，偏振角测量误差小于±0.32°。在此基础上，开展了外场实验，结果表明，在晴朗少云的气象条件下，不同波段下的大气偏振模式分布与Rayleigh 模型的差异值，也有着显著区别，其中，520 nm 下的分布与Rayleigh 模型最接近。
全天域 大气偏振模式 同时偏振测量 测量系统 all skylight pattern of skylight polarization simultaneous polarization measurement measurement system
国防科技大学 机电工程与自动化学院, 湖南 长沙 410073
为了有效利用全天域的偏振光信息, 探究仿生偏振光导航机理, 设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法, 推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式, 将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题, 推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后, 设计了静态实验与转动实验, 对理论分析结果进行了验证。实验结果显示: 测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致, 并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°, 误差标准差为0.14°; 基于1 h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6 km。转动实验(转动两周)得到的最大定向误差约为0.5°, 误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理, 为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。
偏振视觉传感器 仿生偏振导航 天空偏振模式 定位定向 polarization vision sensor bionic polarization navigation skylight polarization pattern positioning and orientation
中北大学 电子测试技术国家重点实验室 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
为了满足无人飞行器自主导航对姿态参数提取的需求, 提出一种利用大气偏振模式稳定性分布的特征提取飞行器俯仰角和滚转角的方法.从刻画大气光学传输特性的Rayleigh散射理论出发, 建立了天空偏振光分布的理论和实测两种模式.利用优化算法, 从偏振信息中提取出导航用的天空特征点——太阳空间位置, 并利用太阳和天顶固定的时空关系, 获取天顶点位置信息.利用天顶点坐标建立姿态变换矩阵, 解算俯仰角和滚转角大小.通过模拟飞行器控制台, 利用理论和实测两种偏振模式数据分析验证, 解算的俯仰角均方根误差分别为0.002°和0.0031°, 滚转角均方根误差分别为0.0236°和0.0227°.该偏振方法获取姿态参数时计算简单, 解算精确度高.
Rayleigh散射 大气偏振模式 导航 姿态 Rayleigh scattering Skylight polarization pattern Navigation Attitude
国防科技大学 机电工程与自动化学院,湖南 长沙 410073
合肥工业大学图像信息处理研究室, 合肥 230009
气溶胶光学特性及其分布位置直接决定了偏振模式的外观形态及变化.文章以偏振光在气溶胶粒子中发生的米氏多次散射理论为基础,采用蒙特卡罗过程仿真、选取气溶胶特征参数半查找表的科学研究方法,对比分析337 nm、514 nm、1536 nm三个波长分别在同温层、大陆层、近地层气溶胶出射时的大气偏振模式变化幅度和规律.模式仿真结果显示紫外波段在近地层气溶胶作用下消失,蓝绿波段相对稳定、尺度分布宽泛,红外波段的穿透性明显强于其他两个波段、起偏剧烈;统计分析构建模式中每个点的偏振度发现每个波段都有各自的稳定区间,模式中偏振度衰减或起偏均趋向于这个区间值.这为已知大气背景模式下,选取合适波段探测目标偏振扰动提供了一定的参考依据.
大气偏振模式 复折射率 消光系数 蒙特卡罗 分层气溶胶 skylight polarization pattern complex refractive index extinction coefficient Montecarlo layered aerosol
1 中北大学 电子测试技术国家重点实验室
2 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
为了满足偏振光导航中对天空特征点位置信息的需求, 提出一种基于Rayleigh大气偏振模式的太阳和太阳子午线空间位置的计算方法.首先分别利用瑞利单次散射理论和偏振分析仪重建了理论和实测大气偏振模式, 再根据大气偏振分布模式的特点, 对所采集的偏振度数据和E-矢量数据进行聚类分析, 利用偏振度数据确定太阳位置, E-矢量数据确定太阳子午线位置, 将求取太阳和太阳子午线空间位置的问题转化为确定相应类中心的问题.最后对所提方法分别就大气偏振的理论模式和实测模式进行实验分析, 与最小二乘法利用偏振数据反推太阳位置法相比, 该方法有效地利用了偏振模式整体分布的稳定性特点, 可以通过采集大范围偏振信息获取较准确的空间显著特征点位置, 得到较好的实测数据处理结果.
大气光学 大气偏振模式 Rayleigh散射 聚类分析 太阳位置 太阳子午线 导航 Atmospheric optics Skylight polarization pattern Rayleigh scattering Clustering analysis Position of the sun Solar meridian Navigation
