基于生物偏振視覺(jué)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(jué)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(qiáng)的特點(diǎn)，可作為現(xiàn)有導(dǎo)航技術(shù)的有利補(bǔ)充，為弱/無(wú)衛(wèi)星信號(hào)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(hào)與信息處理技術(shù)等多個(gè)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(guò)對(duì)天空偏振模式的檢測(cè)，獲取導(dǎo)航過(guò)程中需要的參考方向信息是需要解決的核心問(wèn)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(duì)天空偏振模式進(jìn)行光學(xué)層面的整合后產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)信號(hào)，繼而利用具有多層結(jié)構(gòu)的偏振敏感神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)感知到的偏振信息進(jìn)行神經(jīng)層面的整合，經(jīng)過(guò)編碼、傳輸和解碼等過(guò)程，最終通過(guò)位于前腦橋中的柱狀羅盤神經(jīng)元對(duì)獲取的方向信息進(jìn)行表示。然而，現(xiàn)有的相關(guān)仿生研究大多僅僅關(guān)注對(duì)生物復(fù)眼DRA中單個(gè)小眼感知偏振光機(jī)理

3、及視神經(jīng)葉中三類POL-神經(jīng)元對(duì)偏振信息映射機(jī)制的模擬，可見(jiàn)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(wèn)題，基于生物偏振視覺(jué)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(duì)天空偏振信息的光學(xué)整合與神經(jīng)整合兩個(gè)方面入手，主要進(jìn)行了以下四個(gè)方面的研究:
　　(1)針對(duì)作為信號(hào)源的天空偏振模式，通過(guò)建立奇異值模型、光強(qiáng)分布理論和顏色空間框架之間的橋梁，提出了

4、一種同時(shí)包含太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角、偏振中性點(diǎn)、大氣渾濁度及波長(zhǎng)等多可控參量的解析模型，并通過(guò)復(fù)平面表征的方法實(shí)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(duì)比表明，本模型的仿真結(jié)果更符合真實(shí)天空偏振光分布模式的特征及規(guī)律，與輻射傳輸計(jì)算軟件Libradtran的對(duì)比表明，本模型在能夠準(zhǔn)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(duì)現(xiàn)有仿生偏振光導(dǎo)航傳感器存在的測(cè)角歧義性問(wèn)題，提出了一種

5、由三個(gè)偏振通道和一個(gè)非偏振通道組合的信號(hào)處理模型，其可以利用各光電轉(zhuǎn)換通道響應(yīng)間的對(duì)比關(guān)系及天空中不同區(qū)域偏振度的強(qiáng)弱分布規(guī)律，將傳感器的角度測(cè)量輸出值域從[-π/4，π/4]擴(kuò)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(shí)復(fù)用的方式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于該模型的傳感器樣機(jī)，并通過(guò)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。
　　(3)針對(duì)Barta和Horváth對(duì)生物偏振光導(dǎo)航中“紫外悖論”問(wèn)題在

6、理論上的解釋及現(xiàn)有可支撐該理論的實(shí)測(cè)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(qiáng)弱、E-矢量方向測(cè)量精度及測(cè)角誤差的標(biāo)準(zhǔn)差等三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中各波段偏振光對(duì)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(jiàn)光波段實(shí)驗(yàn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

7、
　　(4)基于蟋蟀、蝗蟲(chóng)、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(gè)小眼的視覺(jué)特性和視野范圍以及整個(gè)DRA對(duì)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(duì)自然偏振信息的光學(xué)整合過(guò)程;基于視神經(jīng)葉中調(diào)諧于3個(gè)偏振方向的POL-神經(jīng)元和前腦橋中16個(gè)柱狀羅盤神經(jīng)元的偏振敏感機(jī)理和層級(jí)結(jié)構(gòu)，建立了POL-ANN模型，用以模仿生物對(duì)自然偏振信息的神經(jīng)整合

8、過(guò)程。通過(guò)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(hào)處理方法，該方法魯棒性高，且符合生物偏振視覺(jué)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(zhǔn)確的方向信息。同時(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了分振幅式全天域偏振模式采集裝置樣機(jī)，利用同時(shí)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(guò)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