偏振光柵導(dǎo)航傳感器電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馬 強(qiáng)， 趙開春， 尤 政

(清華大學(xué) 精密儀器系，北京100084)

0 引 言

天空偏振光分布模式和生物偏振光導(dǎo)航機(jī)理的研究為仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。沙蟻等昆蟲的復(fù)眼具有特殊結(jié)構(gòu)和神經(jīng)[1]，能夠敏感關(guān)于太陽子午線對(duì)稱的天空偏振光分布模式[2,3]，可精確地識(shí)別體軸相對(duì)太陽子午線的航向角。仿生偏振光導(dǎo)航傳感器模仿昆蟲復(fù)眼偏振敏感結(jié)構(gòu)，利用天空偏振光自主導(dǎo)航定向,它不需要太陽可視，可適應(yīng)不同天氣，彌補(bǔ)了其他導(dǎo)航傳感系統(tǒng)的性能局限。國內(nèi)外研究者已經(jīng)研制出偏振光導(dǎo)航傳感器樣機(jī)，并在具體工程應(yīng)用上開展試驗(yàn)研究。2000年，Lambrinos D等人研制基于光電二極管檢偏原理的傳感器樣機(jī)，并在移動(dòng)機(jī)器人上驗(yàn)證了仿生偏振光導(dǎo)航可行性[4]，此后國內(nèi)研究者研制了類似的傳感器樣機(jī)，如,合肥工業(yè)大學(xué)的高雋等研制出四通道偏振檢測(cè)傳感器[5]，大連理工大學(xué)的褚金奎等研制出六通道偏振光傳感器[6]。2010年，Chahl J等人在NASA和DARPA項(xiàng)目支持下進(jìn)行無人機(jī)飛行試驗(yàn)，也采用天空偏振光羅盤導(dǎo)航[7]。然而此類樣機(jī)至多有3組敏感器，空間分辨率較低，較依賴局部天空偏振光分布模式，使得輸出結(jié)果易受天氣變化干擾，經(jīng)過誤差補(bǔ)償后輸出精度最優(yōu)可達(dá)±0.2°。

偏振光柵陣列和圖像傳感器組成偏振感光器陣列[8]，以多通道冗余方式處理全天域偏振信息，增大了空間分辨率，提高了系統(tǒng)的定向精度，更加類似昆蟲復(fù)眼偏振敏感結(jié)構(gòu)。偏振感光器陣列和圖像處理硬件平臺(tái)的結(jié)合是偏振光導(dǎo)航傳感器的新思路和新結(jié)構(gòu)，可稱之偏振光柵導(dǎo)航傳感器。研制集成度更高、精度更高的偏振光柵導(dǎo)航傳感器具有迫切需求，可將仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù)推向更高的層次。

本文闡述了偏振光柵導(dǎo)航傳感器的工作原理，從工程實(shí)現(xiàn)角度設(shè)計(jì)其電子系統(tǒng)，討論了軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，最后驗(yàn)證了系統(tǒng)功能和計(jì)算精度。

1 工作原理

瑞利散射理論模型如圖1(a)所示，觀察點(diǎn)P的光束偏振方向垂直于P點(diǎn)與太陽S、觀察點(diǎn)O構(gòu)成的平面。當(dāng)散射角∠POS=±90°時(shí)，偏振度達(dá)到最大值。實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示,晴空時(shí)全天域偏振光分布模式與上述理論模型非常吻合[2,3]，此模式關(guān)于太陽子午線對(duì)稱，且此對(duì)稱性不隨太陽位置變化而改變，具有相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)。昆蟲復(fù)眼中偏振敏感結(jié)構(gòu)和偏振對(duì)立神經(jīng)元對(duì)0°,60°,130° 3個(gè)特定角度更加敏感[9]，據(jù)此感知體軸相對(duì)太陽子午線的夾角來確定方向，此為偏振光導(dǎo)航的仿生基礎(chǔ)。

偏振感光器陣列由偏振像元組成，如圖1(b)。偏振像元包含4個(gè)偏振像素，其中,3個(gè)有效偏振像素的偏振方向分別為0°,60°,120°，這個(gè)結(jié)構(gòu)模仿昆蟲偏振神經(jīng)元對(duì)特定方向角敏感。

圖1 仿生偏振光導(dǎo)航原理

光波在介質(zhì)中傳播并與介質(zhì)相互作用，表征其偏振狀態(tài)的斯托克斯(Stokes)矢量將發(fā)生變化。Stokes矢量包含4個(gè)量綱相同的參量I,Q,U和V

S=[I,Q,U,V]T.

(1)

其中,I為偏振光強(qiáng)度。V為偏振分量,一般很小，在儀器的可檢范圍內(nèi)可以忽略，所以，只求取前3個(gè)參量。

米勒(Mueller)矩陣表示器件的特性與取向。直線偏振器透光軸與參考軸夾角為θ，則其Mueller矩陣Mθ為[10]

(2)

出射光Stokes矢量Sin與入射光Stokes矢量Sout的關(guān)系可用矩陣乘積表示

Sout=[I(θ),Q(θ),U(θ)]=Mθ·Sin.

(3)

化簡整理得到出射光的光強(qiáng)I(θ)為θ和入射光偏振態(tài)I,Q,U的函數(shù)[11]

(4)

將偏振方向0°,60°,120°分別代入式(4)得到聯(lián)立方程組式(5)，由此入射光的偏振態(tài)Stokes矢量的參量I,Q,U解得

(5)

Stokes矢量表示偏振度P可以用式(6)計(jì)算，而偏振方位角φ代入式(5)的I,Q和U計(jì)算如式(7)所示

(6)

(7)

電子系統(tǒng)即是按照式(7)用0°,60°和120° 3個(gè)角度的光強(qiáng)計(jì)算出偏振方位角圖像，利用圖像對(duì)稱性檢測(cè)算法從偏振方位角圖像中提取出太陽子午線相對(duì)本體參考方向的夾角，即相對(duì)航向角。

2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

偏振光柵導(dǎo)航傳感器包含了兩大部分：偏振光檢測(cè)成像和本文研究的電路處理部分。偏振光檢測(cè)成像部分作為前級(jí)，含有光學(xué)鏡頭、藍(lán)紫光濾光片、微型偏振陣列和圖像傳感器，它們將作為一個(gè)類似數(shù)字相機(jī)的整體部件，對(duì)后級(jí)提供圖像和時(shí)鐘輸出，以及有關(guān)控制命令輸入的接口。

電子系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，F(xiàn)PGA芯片上構(gòu)建SOPC和其他硬件電路模塊，形成偏振光柵導(dǎo)航傳感器電子系統(tǒng)的功能主體。配置芯片EPCS FLASH上存儲(chǔ)FPGA配置文件和NIOS程序映像，使系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)配置運(yùn)行程序。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和RS—232電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)前級(jí)和后級(jí)的通信。

圖2 電子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

前級(jí)檢偏成像部分提供80 MHz的像素時(shí)鐘，與FPGA內(nèi)部PLL時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)相連，作為全系統(tǒng)基本時(shí)鐘。

信號(hào)觸發(fā)模塊使能曝光脈沖，作用于前級(jí)檢偏成像部分，輸出的圖像經(jīng)過采集后重組偏振像元，然后計(jì)算偏振方位角圖像，提取對(duì)稱特征得到相對(duì)航向角，經(jīng)過數(shù)據(jù)交換和UART1模塊發(fā)送至上位機(jī)。UART1和UART2轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)發(fā)出的設(shè)置檢偏成像部分參數(shù)。SOPC內(nèi)，各個(gè)模塊之間通過Avalon總線連接。主處理器Nios II CPU、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器On-Chip SRAM0與程序配置模塊EPCS Controller構(gòu)成了最小系統(tǒng)。

3 電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊采用Cameralink標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將接至SDR—26接插件的11對(duì)低壓差分信號(hào)(low voltage differential signal,LVDS)，通過DS90CR288A,DS90LV047A和DS90LV019 3個(gè)芯片與LVTTL,LVCMOS信號(hào)相互轉(zhuǎn)換[11]，實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)、像素時(shí)鐘、相機(jī)控制和串行通信的傳輸。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)包括幀有效FVAL、行有效LVAL、數(shù)據(jù)有效DVAL；外觸發(fā)曝光信號(hào)EXSYNC；雙工異步串行信號(hào)SerTC和SerTFG。LVDS差分線對(duì)的終端接入100 Ω匹配電阻器，減少終端信號(hào)反射。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 Cameralink信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

3.2 FPGA硬件模塊

FPGA中實(shí)現(xiàn)的硬件模塊包括曝光脈沖、圖像采集、像元重組、偏振角計(jì)算和對(duì)稱軸提取。

20 Hz的外觸發(fā)曝光信號(hào)EXSYNC經(jīng)過使能，其下降沿觸發(fā)檢偏成像部分內(nèi)部產(chǎn)生同頻的Internally-generated EXSYNC信號(hào)，該信號(hào)上升沿相對(duì)EXSYNC信號(hào)下降沿延遲100 μs，其高電平時(shí)長決定了曝光時(shí)間，可由上位機(jī)指令設(shè)置，并且從該信號(hào)的下降沿開始輸出圖像，如圖4所示。

圖4 圖像曝光與采集時(shí)序圖

幀有效FVAL和行有效LVAL都為高電平時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘周期(12.5 ns)輸出2個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)算LVAL低電平的行消隱期有121個(gè)CLK周期，故一幀圖像的傳輸時(shí)間有

[1 024×(512+121)-121]×12.5≈8.1 ms.

(8)

圖像傳輸為后續(xù)計(jì)算模塊保留了時(shí)間裕量。有效像素重組過程如圖5所示，在片上內(nèi)存構(gòu)建緩沖池(圖2中on-chip SRAM1)，將2行圖像定義為奇數(shù)列和偶數(shù)列。當(dāng)獲取奇數(shù)列時(shí)縱向暫存在緩沖池的左半邊；當(dāng)獲取偶數(shù)列時(shí)縱向暫存在緩沖池的右半邊，而此時(shí)每個(gè)周期寫入新數(shù)據(jù)的同時(shí)，橫向讀取3個(gè)偏振像素即為所需的0°,60°,120°有效偏振像素。

圖5 偏振像元的有效像素重組

利用3個(gè)有效偏振像素，即可按照式(7)以流水線方式計(jì)算偏振方位角，但須先判斷反正切內(nèi)分式的分母是否為0，如果為0則直接得到π/4的結(jié)果。式(7)涉及反正切的計(jì)算，在FPGA上適宜采用加減和移位定點(diǎn)操作。為保證偏振方位角計(jì)算精度，模塊內(nèi)核心計(jì)算數(shù)據(jù)保留32位，而輸出結(jié)果保留16位即可得優(yōu)于0.001°精度，為后續(xù)對(duì)稱軸提取的算法保留了提升精度的空間，如圖6所示。

圖6 偏振角計(jì)算和對(duì)稱軸提取流程圖

對(duì)稱軸提取模塊分揀前級(jí)求得的偏振方位角數(shù)據(jù)流，保存載有重要信息的數(shù)據(jù)到緩存區(qū)(圖2中on-chip SRAM2)，先后進(jìn)行初次級(jí)對(duì)稱性分析，從而求得相對(duì)航向角θ。對(duì)稱性分析算法采用DSP Builder仿真，利用Signal Compiler編譯適配到硬件上驗(yàn)證。此方法簡化了算法硬件化流程，并為算法驗(yàn)證預(yù)留了空間和接口，提供高效的算法研究平臺(tái)。硬件并行計(jì)算相比軟件順序執(zhí)行可以顯著縮短圖像處理時(shí)間，提高實(shí)時(shí)性。

3.3 SOPC軟核系統(tǒng)

SoPC Builder是系統(tǒng)定義和組件定制的強(qiáng)大工具，可輕松構(gòu)建如圖2中虛線框內(nèi)的SOPC。Nios II EDS針對(duì)Nios II處理器進(jìn)行軟件開發(fā)、編譯和調(diào)試等，程序運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 程序運(yùn)行流程框圖

主程序開始后，先后初始化數(shù)據(jù)和指令中斷，然后使能曝光脈沖，最后進(jìn)入循環(huán)等待中斷狀態(tài)。

數(shù)據(jù)中斷子程序中，讀取相對(duì)航向角到緩存變量，通過UART1模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)后返回循環(huán)等待中斷狀態(tài)。

指令中斷優(yōu)先級(jí)高于數(shù)據(jù)中斷，依次讀取指令字符到緩存變量。當(dāng)指令結(jié)束時(shí)將緩存指令通過UART2模塊發(fā)送到檢偏成像部分后返回循環(huán)等待中斷狀態(tài)。指令中斷子程序中先后禁止和使能曝光脈沖，保證了此過程中無數(shù)據(jù)中斷發(fā)出。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證偏振光柵傳感器電子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)偏振檢測(cè)成像部分的模擬器與其對(duì)接。用天空偏振探測(cè)裝置[12]獲取不同偏振方向、相同分辨率的真實(shí)偏振圖像，按照偏振像元位序空間采樣，提取用于系統(tǒng)驗(yàn)證的圖像，然后下載到模擬器的存儲(chǔ)器中，采用與圖4完全相同的時(shí)序輸出，這樣便可以驗(yàn)證電子系統(tǒng)的采集和通信功能。通過DSP Builder例化一個(gè)對(duì)稱性分析算法到相應(yīng)模塊中，用于測(cè)試電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和計(jì)算精確度。

圖8所示為系統(tǒng)驗(yàn)證邏輯連接框圖，在上位機(jī)上完成所需的程序數(shù)據(jù)配置和計(jì)算結(jié)果顯示。

圖8 系統(tǒng)驗(yàn)證框圖

在清華大學(xué)中央主樓北側(cè)不同時(shí)刻獲取4幅圖像用于系統(tǒng)驗(yàn)證。Matlab采用雙精度格式運(yùn)行相同算法程序與電子系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比。表1所示兩者的計(jì)算結(jié)果差值的絕對(duì)值都小于0.01°，說明電子系統(tǒng)的計(jì)算精度優(yōu)于0.01°。此外，模擬器以20 Hz幀率重復(fù)輸出圖像，電子系統(tǒng)可順利完成采集、計(jì)算和通信功能。圖9為表1中第2個(gè)合成偏振圖像與偏振角度圖，其中白線標(biāo)識(shí)出對(duì)稱軸。

表1 驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

圖9 圖像合成與處理結(jié)果

5 結(jié) 論

偏振光柵導(dǎo)航傳感器使用偏振感光器陣列而具有更高的定向精度。本文設(shè)計(jì)適應(yīng)圖像信息處理的電子系統(tǒng)，它能以20 Hz幀頻率采集、處理偏振圖像，其定點(diǎn)計(jì)算精確度

優(yōu)于±0.01°。電子系統(tǒng)為導(dǎo)航算法研究提供驗(yàn)證平臺(tái)，同時(shí)也作為傳感器樣機(jī)的重要部分。

參考文獻(xiàn):

[1]Labhart T.Polarization-sensitive interneurons in the optic lobe of the desert ant Cataglyphis bicolor[J].Naturwissenschaften,2000,87(3):133-136.

[2]晏 磊,關(guān)桂霞,陳家斌,等.基于天空偏振光分布模式的仿生導(dǎo)航定向機(jī)理初探[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009(4):616-620.

[3]趙開春,褚金奎,姚弘軼,等.Rayleigh大氣天空光偏振分布仿真與預(yù)測(cè)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2007,39(5):287-291.

[4]Lambrinos D,Moller R,Labhart T,et al.A mobile robot emp-loying insect strategies for navigation[J].Robotics and Autonomous Systems,2000,30(1-2):39-64.

[5]高 雋,范之國,潘登凱,等.平面四通道大氣偏振信息檢測(cè)傳感器:中國,101441169[P].2009—05—27.

[6]褚金奎,王洪青,戎成功,等.基于偏振光傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試[J].宇航學(xué)報(bào),2011(3):489-494.

[7]Javaan Chahl,Akiko Mizutani.Biomimetic attitude and orientation sensors[J].IEEE Sensors Journal,2012,12(2):289-297.

[8]尤 政,趙開春,于澤江,等.偏振光柵導(dǎo)航傳感器:中國,101865692A[P].2010—10—20.

[9]Labhart T,Petzold J,Helbling H.Spatial integration in polarization-sensitive interneurones of crickets:A survey of evidence,mechanisms and benefits[J].Journal of Experimental Biology,2001,204(14):2423-2430.

[10] 新谷隆一.偏振光[M].北京:原子能出版社,1994.

[11] PULNiX.2000,Specifications of the camera link interface standard for digital camera and frame grabbers[S].America.

[12] 趙開春,盧 皓,尤 政.天空光偏振模式自動(dòng)探測(cè)裝置[J].光學(xué)精密工程,2013(2):239-245.