仿生復(fù)眼光學(xué)偏振傳感器及其大氣偏振E矢量檢測(cè)應(yīng)用*

丁宇凱，唐 軍，王 飛，王晨光，翟 超，曹衛(wèi)達(dá)，周智君，趙鵬飛，劉 俊*

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

太陽光在傳輸過程中由于大氣的散射作用而產(chǎn)生偏振光，并形成的特定的偏振態(tài)分布，即大氣偏振模式［1］。大氣偏振模式具有以太陽子午線對(duì)稱分布的特性，包含了豐富的方向和位置信息。人眼看不到光的偏振現(xiàn)象，但是許多生物，如沙蟻、蜜蜂等［2－3］，卻能夠利用大氣的偏振模式分布特性來進(jìn)行精確的導(dǎo)航定位［4］。

現(xiàn)有研究表明，E－矢量作為其導(dǎo)航的信息來源，具有較好的穩(wěn)定性［5］，對(duì)大氣偏振模式中E－矢量的提取是實(shí)現(xiàn)偏振光導(dǎo)航定位的關(guān)鍵。瑞士研究者用偏振器件模仿生物復(fù)眼測(cè)量光的偏振，并且在移動(dòng)機(jī)器人上構(gòu)建的偏振羅盤獲得了成功應(yīng)用［6］。國內(nèi)大連理工大學(xué)褚金奎教授在此基礎(chǔ)上對(duì)仿生光電模型進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試并對(duì)模型進(jìn)行了微型化研究［7－8］。合肥工業(yè)大學(xué)的高雋教授提出一種仿生偏振信息檢測(cè)方法［5，9］。

本文以沙蟻等生物高度敏感的偏振視覺感知與導(dǎo)航功能為生物基礎(chǔ)，結(jié)合電子技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)設(shè)計(jì)研制出一種仿生復(fù)眼光學(xué)偏振傳感器，并使用此偏振傳感器在不同天氣下對(duì)天頂方向偏振光E－矢量方向進(jìn)行長時(shí)間的檢測(cè)來反應(yīng)大氣偏振模式E－矢量的變化。

1 仿生偏振光導(dǎo)航傳感器的設(shè)計(jì)

通過對(duì)多種昆蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)的研究表明［10－11］，復(fù)眼背部邊緣區(qū)域DRA(Dorsal Rim Area)普遍具有高偏振敏感現(xiàn)象，DRA區(qū)域的小眼正對(duì)天空方向，DRA區(qū)域中的偏振敏感神經(jīng)元(POL－神經(jīng)元)，對(duì)光的E－矢量刺激都具有近似正弦函數(shù)的響應(yīng)，每隔90°神經(jīng)元興奮或抑制交替變化［12］。這些神經(jīng)元具有偏振對(duì)抗的特性［13］，接收與DRA小眼中微絨毛方向相互垂直的光感受器的對(duì)抗輸入，這些光感受器調(diào)諧的E－矢量方向正交，因此DRA也稱為POL區(qū)域。

傳感器的設(shè)計(jì)依照復(fù)眼DRA區(qū)域中的小眼進(jìn)行，通過模仿小眼的主要功能，將傳感器分為:(1)偏振檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)生物體微絨毛對(duì)光的偏振方向的選擇作用;(2)光電轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào);(3)對(duì)數(shù)運(yùn)算模塊，對(duì)兩路偏振信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)處理，實(shí)現(xiàn)POL神經(jīng)元的功能，增強(qiáng)輸出響應(yīng)，提高檢測(cè)的精度、靈敏度［14－15］。

生物模型到傳感器的工作過程如圖1所示。

圖1 生物模型到傳感器的工作過程

大氣中的光為經(jīng)過瑞利散射后的部分偏振光，部分偏振光通過偏振檢測(cè)單元后的光強(qiáng)可以表示如下:

式(1)中，I是總光強(qiáng)，d是偏振度，θ是偏振片偏振透過方向與參考方向的夾角，θmax是入射光的偏振方向相對(duì)同一參考方向的夾角，K為一常數(shù)，由偏振器件的透過率消光比決定。為討論方便，取感知單元中水平通道的偏振片的極化方向?yàn)閰⒖挤较颉?/p>

偏振光分別經(jīng)過一對(duì)偏振透射相互垂直的偏振傳感單元后的輸出為:

經(jīng)過對(duì)數(shù)運(yùn)算后的結(jié)果如下:

由式(4)類推，第二組檢測(cè)單元輸出可表示為:

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)式(4)和式(5)采用S型函數(shù)進(jìn)行去對(duì)數(shù)處理，即:

通過式(4)～式(6)可知，偏振檢測(cè)通道信號(hào)幅值只與偏振度和偏振角相關(guān)，則可求得偏振角θ為:

偏振度d可表示為:

根據(jù)昆蟲小眼的結(jié)構(gòu)及POL處理信號(hào)的原理設(shè)計(jì)的傳感器主要由偏振檢測(cè)單元、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊(包括對(duì)數(shù)運(yùn)算、信號(hào)放大、濾波)以及數(shù)據(jù)采集、解算模塊組成，如圖2所示。

圖2 四通道偏振光傳感器基本結(jié)構(gòu)

偏振光檢測(cè)單元中，將檢偏器件平鋪在兩路通道的上方，每路通道都有兩個(gè)偏振片和帶刻度的套筒組成。依據(jù)POL神經(jīng)元處理方式，將兩路通道的相對(duì)起偏角度設(shè)置為60°，每個(gè)通道中兩路檢偏器件偏振方向相互垂直，以第一個(gè)通道的第一個(gè)偏振片為參考0°，則另外3個(gè)偏振方向分別為60°，90°和120°，各通道偏振片的方向如圖2所示。

為了能夠接收正天頂方向的光信息，在每路檢偏器件的下方2 cm處，都有一支光電二極管，并在偏振器件與光電二極管之間的通道壁上涂黑色吸光涂層。二極管用以接收通過檢偏器件后的光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，作為信號(hào)處理的輸入信號(hào)。

在傳感器底部空間(如圖3中左圖)安裝信號(hào)處理硬件電路，用以實(shí)現(xiàn)傳感器中對(duì)數(shù)運(yùn)算電路，信號(hào)放大電路。兩組對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器分別將兩路通道中的四支光電二極管輸出的電流信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，轉(zhuǎn)化為易于處理的兩路電壓信號(hào)。此時(shí)電壓信號(hào)很小，一般為毫伏級(jí)甚至更小，不滿足后續(xù)信號(hào)的采集，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，將信號(hào)放大至0～5 V的范圍內(nèi)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)采集。由于在信號(hào)采集過程中會(huì)有交流信號(hào)對(duì)電路產(chǎn)生高頻的電磁干擾，產(chǎn)生噪聲，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾除高頻信號(hào)。

通過數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)測(cè)試輸出信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)的處理利用MATLAB完成，結(jié)合數(shù)字濾波器以及式(1)～式(8)進(jìn)行偏振角的求解以及誤差計(jì)算。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)及實(shí)物

2 偏振傳感器的測(cè)試及大氣偏振檢測(cè)

2.1 偏振傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)

選擇晴朗無云的天氣進(jìn)行室外實(shí)驗(yàn)，考慮到大氣偏振態(tài)的變化速率慢，可以認(rèn)為天頂區(qū)域光的偏振方向在短時(shí)間內(nèi)不變，將傳感器固定在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速由PCM100步進(jìn)電機(jī)控制器控制，本處設(shè)置為32 s/r，設(shè)置采集卡采樣頻率為100 Hz，啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的同時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡開始采集傳感器的模擬電壓值。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖如圖4所示。

如圖5，采集卡從傳感器兩個(gè)通道采集到的兩組數(shù)據(jù)，由圖5(a)可以看出隨著轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，傳感器的兩組偏振檢測(cè)單元的輸出基本近似為正弦曲線，相位差為60°。

圖4 傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)原理圖

圖5 傳感器測(cè)試輸出及誤差

將采集到的兩路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，利用式(7)通過MATLAB求解出偏振角，由式(7)可知，求解出的偏振角(以傳感器的偏振檢測(cè)單元的極化方向?yàn)樗降钠衿瑸榛鶞?zhǔn))是arctan函數(shù)，以90°為一個(gè)周期，以選取求解出的第一個(gè)最小偏振角為參考點(diǎn)，將傳感器的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度也變?yōu)橐粋€(gè)以90°周期的函數(shù)曲線，如圖5(b)中虛線所示，實(shí)線為傳感器的測(cè)量值，兩者之間的誤差輸出為長短線所示，平均誤差 0.4675°。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知所設(shè)計(jì)偏振光傳感器在功能上實(shí)現(xiàn)了偏振檢測(cè)的功能，通過轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際測(cè)量表明，偏振傳感器的測(cè)量具有一定的精度，能夠作為導(dǎo)航傳感器提供航向角的能力。

2.2 大氣偏振模式檢測(cè)應(yīng)用

由大氣偏振態(tài)的分布可知，天頂方向上E－矢量方向與觀測(cè)點(diǎn)與太陽子午線所成的角度正交，一天中太陽方位角的不斷變化，固定位置天頂方向上的E－矢量方向也在不斷變化，分別選取了2013年5月25日和2013年6月14日，利用偏振態(tài)分析儀和本文所設(shè)計(jì)的偏振光傳感器通過在不同天氣下對(duì)天頂方向上的E－矢量方向測(cè)試來實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣偏振E－矢量實(shí)際分布的檢測(cè)與分析。

測(cè)量地點(diǎn)在中北大學(xué)科研樓進(jìn)行(東經(jīng)112°33'、北緯37°47'、時(shí)區(qū) UTC+8、海拔 800 m)，由天文學(xué)相關(guān)公式［16］，可以通過時(shí)間，時(shí)區(qū)、經(jīng)、緯度、海拔，準(zhǔn)確解算出該時(shí)刻下的太陽的方位角，再結(jié)合瑞利散射模型，可以求解出該時(shí)刻天頂方向的E－矢量方向與參考方向的夾角。實(shí)驗(yàn)采用THORLABS PAX5710VIS－T偏振態(tài)測(cè)試儀(設(shè)置采樣為600/h)和本文設(shè)計(jì)的傳感器，對(duì)不同天氣下同一點(diǎn)的天頂方向進(jìn)行測(cè)試。選取正東方向?yàn)閰⒖?°方向，面向天頂方向，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎?，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)樨?fù)，從7:00～19:00每隔0.5 h采集一次。

由圖6可以看出，在晴朗天氣下偏振光傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)，與偏振態(tài)分析儀測(cè)得數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的一致性;偏振態(tài)分析儀、傳感器采集到的數(shù)據(jù)之間誤差基本不超過1°;但兩者測(cè)得數(shù)據(jù)與理想大氣偏振模式下的E－矢量方向有比較明顯的差別，尤其在9:00～14:00時(shí)差別很大，在12:30最大甚至能達(dá)到15°，這是由于在正午時(shí)刻太陽高度角最大，陽光直射較為明顯，偏振度較小，同時(shí)天空少量云層、微粒會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。

而圖7中，偏振態(tài)分析儀和偏振光傳感器在多云天氣下對(duì)E－矢量的檢測(cè)都受到了影響，尤其是在10:30～13:30和17:00～19:00這段時(shí)間內(nèi)，有云層遮擋在分析儀和傳感器正上方，對(duì)偏振E－矢量的檢測(cè)產(chǎn)生了非常大的干擾。測(cè)得的數(shù)據(jù)和理想的E－矢量方向的誤差最大達(dá)到30多度，雖然傳感器在某一時(shí)段受到了比較大的影響，但在沒有云層遮擋后，又能很快的從混亂中恢復(fù)，誤差不會(huì)隨時(shí)間累積，所以偏振光傳感器能夠作為工具來為導(dǎo)航提供航向角信息。

圖6 晴朗天氣下，大氣理想E－矢量方向、偏振態(tài)分析儀和偏振光傳感器的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖7 多云天氣下，大氣理想E－矢量方向、偏振態(tài)分析儀和偏振光傳感器的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

本文首先從仿生學(xué)出發(fā)，詳述了昆蟲利用偏振光導(dǎo)航的基本原理，并根據(jù)昆蟲復(fù)眼的基本結(jié)構(gòu)從傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)信號(hào)處理等方面介紹了傳感器的設(shè)計(jì)及偏振E－矢量的檢測(cè)過程。并利用設(shè)計(jì)的傳感器與偏振態(tài)分析儀分別在多云天氣和晴朗天氣下對(duì)大氣偏振E－矢量方向進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)得數(shù)據(jù)與大氣偏振E－矢量理論值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明該傳感器能對(duì)大氣偏振模式進(jìn)行測(cè)量。后期還將進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，并嘗試通過多種誤差補(bǔ)償?shù)姆绞?，?duì)傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正，并結(jié)合一定的系統(tǒng)建立更精確、穩(wěn)定、便攜的傳感系統(tǒng)。

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