基于生物偏振視覺的導(dǎo)航定向方法研究.pdf

1、仿生偏振光導(dǎo)航是一種基于地球自然屬性的新型自主導(dǎo)航方法，以生物高度敏感的偏振視覺為仿生基礎(chǔ)，以天空偏振光的規(guī)律性分布模式為導(dǎo)航依據(jù)，具有隱蔽性好，抗干擾能力強的特點，可作為現(xiàn)有導(dǎo)航技術(shù)的有利補充，為弱/無衛(wèi)星信號條件下處于陌生環(huán)境的導(dǎo)航載體提供航向及姿態(tài)信息，有效提升導(dǎo)航系統(tǒng)的精度及魯棒性，具有重要的科學(xué)意義與廣闊的應(yīng)用前景。其研究涉及生物學(xué)、光學(xué)、大氣科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)及信號與信息處理技術(shù)等多個領(lǐng)域，屬于多學(xué)科交叉綜合的新興課題，其中，如

2、何通過對天空偏振模式的檢測，獲取導(dǎo)航過程中需要的參考方向信息是需要解決的核心問題。
　　研究表明，生物利用其復(fù)眼DRA中大量小眼組成的陣列對天空偏振模式進行光學(xué)層面的整合后產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)信號，繼而利用具有多層結(jié)構(gòu)的偏振敏感神經(jīng)系統(tǒng)對感知到的偏振信息進行神經(jīng)層面的整合，經(jīng)過編碼、傳輸和解碼等過程，最終通過位于前腦橋中的柱狀羅盤神經(jīng)元對獲取的方向信息進行表示。然而，現(xiàn)有的相關(guān)仿生研究大多僅僅關(guān)注對生物復(fù)眼DRA中單個小眼感知偏振光機理

3、及視神經(jīng)葉中三類POL-神經(jīng)元對偏振信息映射機制的模擬，可見生物偏振光導(dǎo)航的研究與仿生偏振光導(dǎo)航的研究之間存在著一定程度的脫節(jié)。
　　本文圍繞仿生偏振光導(dǎo)航需要解決的核心問題，基于生物偏振視覺的原理，從模仿復(fù)眼DRA中小眼陣列與偏振敏感神經(jīng)系統(tǒng)對天空偏振信息的光學(xué)整合與神經(jīng)整合兩個方面入手，主要進行了以下四個方面的研究:
　　(1)針對作為信號源的天空偏振模式，通過建立奇異值模型、光強分布理論和顏色空間框架之間的橋梁，提出了

4、一種同時包含太陽高度角、太陽方位角、偏振中性點、大氣渾濁度及波長等多可控參量的解析模型，并通過復(fù)平面表征的方法實現(xiàn)了三維空間模式和二維平面模式之間的映射。與現(xiàn)有其他解析模型的對比表明，本模型的仿真結(jié)果更符合真實天空偏振光分布模式的特征及規(guī)律，與輻射傳輸計算軟件Libradtran的對比表明，本模型在能夠準確描述天空偏振模式主要特征的前提下，具有更高的仿真效率。
　　(2)針對現(xiàn)有仿生偏振光導(dǎo)航傳感器存在的測角歧義性問題，提出了一種

5、由三個偏振通道和一個非偏振通道組合的信號處理模型，其可以利用各光電轉(zhuǎn)換通道響應(yīng)間的對比關(guān)系及天空中不同區(qū)域偏振度的強弱分布規(guī)律，將傳感器的角度測量輸出值域從[-π/4，π/4]擴展為[0，2π]。此外，為了避免各通道之間器件差異導(dǎo)致的誤差，采用四象限光電二極管及后端處理模塊分時復(fù)用的方式，設(shè)計并實現(xiàn)了基于該模型的傳感器樣機，并通過實測實驗對其進行了測試。
　　(3)針對Barta和Horváth對生物偏振光導(dǎo)航中“紫外悖論”問題在

6、理論上的解釋及現(xiàn)有可支撐該理論的實測數(shù)據(jù)不完備的現(xiàn)狀，利用仿生偏振光導(dǎo)航傳感器，在窄帶濾光片和寬光譜光電二極管的輔助下，從偏振度強弱、E-矢量方向測量精度及測角誤差的標準差等三個方面對其進行驗證，通過實驗中各波段偏振光對導(dǎo)航方向信息獲取有利程度的排序，闡述了生物選擇天空中紫外波段偏振光作為導(dǎo)航信息源的原因，拓展了Pomozi等人在可見光波段實驗中得到的結(jié)論，為Barta和Horváth“紫外悖論”在理論上的解釋提供了完整的實測數(shù)據(jù)支撐。

7、
　　(4)基于蟋蟀、蝗蟲、帝王蝶和果蠅等四種生物復(fù)眼DRA的相關(guān)研究，根據(jù)小眼陣列的分布形態(tài)、單個小眼的視覺特性和視野范圍以及整個DRA對應(yīng)于天空偏振模式的空間區(qū)域?qū)傩?，建立了DRA-W和DRA-L等兩類DRA小眼陣列模型，用以模仿生物對自然偏振信息的光學(xué)整合過程;基于視神經(jīng)葉中調(diào)諧于3個偏振方向的POL-神經(jīng)元和前腦橋中16個柱狀羅盤神經(jīng)元的偏振敏感機理和層級結(jié)構(gòu)，建立了POL-ANN模型，用以模仿生物對自然偏振信息的神經(jīng)整合

8、過程。通過兩者的結(jié)合，提出了一種利用天空偏振模式分布特征及規(guī)律獲取導(dǎo)航方向信息的信號處理方法，該方法魯棒性高，且符合生物偏振視覺處理信息的邏輯，在部分天空偏振信息缺失或傾斜的條件下，仍可提供較為準確的方向信息。同時，設(shè)計并實現(xiàn)了分振幅式全天域偏振模式采集裝置樣機，利用同時獲取的三幅圖像，重建任意指定偏振方向的天空模式，獲取DRA陣列模型中大量調(diào)諧于不同偏振方向小眼的原始光信息輸入，通過像素區(qū)塊劃分的方式還原各小眼的視野范圍，從而利用基于