[发明专利]基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生导航方法

说明书

本发明提出一种基于天空偏振斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息组合导航方法与采集装置，具有仿反射型重叠式复眼晶锥的微杯阵列与微绒毛的多角度纳米等离子透镜集成的二次聚焦偏振微光增强器结构，可应用于日光和月光全天候条件。全偏振信息导航传感器主要是由曲面微杯阵列结构、玻璃体支撑结构、多角度变间距纳米等离子体透镜结构、CMOS图像传感器等主要部分构成。该发明为光机电一体化设计，通过一种仿生曲面微杯阵列结构以及多角度变间距纳米光栅结构实现了可以在全天候应用的偏振信息采集装置，利用偏振图像及偏振光流算法可实时输出偏振光流与偏振方位角，可以作为组合导航应用的速度与航向角信息，实现了基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息导航的全天候应用。该发明具有集成度高，不易受干扰，全天候应用等优点。

技术领域

本发明属于采用偏振光理论与偏振光流算法相结合的光导航信息采集及计算设备。

背景技术

导航技术在人类活动中具有重要的作用，目前在移动机器人等地面载体中应用最多的是惯性导航和卫星导航。惯性导航系统误差会随时间积累，长期应用时精度较差。卫星导航目前应用最为广泛，但是易受环境遮蔽或电磁干扰，甚至可能被人为利用输出错误的欺骗信息。基于天空光偏振分布模式图并以太阳子午线为基准来获取方向信息的新型偏振导航方法成为了研究热点。但是目前的偏振导航器件都仅能输出导航中的角度信息，无法得到载体的速度信息。普通光流法是目前运动图像分析的重要方法，是指时变图像中模式运动速度。光流表达了图像的变化，由于它包含了目标运动的信息，因此可被观察者用来确定目标的运动情况。目前的光流算法主要都是基于自然光图像灰度恒定假设利用基本光流约束方程建立，没有考虑光的固有偏振属性；同时基于光流的视觉导航大多仅能应用于日光环境下，面向夜晚微弱光环境条件的应用尚无法实现。本发明提出了一种基于天空偏振光斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息组合导航方法与采集装置。通过模仿一种热带夜行性淡水鱼的视网膜和夜行性蜣螂的复眼结构，设计出仿反射型重叠式复眼晶锥的微杯阵列与微绒毛的多角度纳米等离子透镜集成的二次聚焦偏振微光增强器结构，将微光增强器通过纳米压印工艺制作于CMOS图像敏感基底上，并利用嵌入式系统实现了一种能应用于日光和月光全天候条件的基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生导航装置。

发明内容

针对以上问题的提出，本发明提出的一种偏振微光增强装置，包括：

多个作为微光环境下聚光元器件的曲面微杯阵列、设置在所述阵列下方的变间距纳米等离子透镜以及设置在所述透镜下方的图像传感器；

所述的曲面微杯阵列中包括多个分布在曲面的微杯；

使用时，所述的曲面微杯阵列将自然微光进行汇聚后引导微光照射所述的变间距纳米等离子透镜；

所述微光经过所述变间距纳米等离子透镜转化成四个方向0°、45°、90°以及135°的偏振光信号；

作为优选的实施方式，所述的曲面微杯阵列中每个微杯的中轴线汇聚于曲面所在圆的圆心；所述的变间距纳米等离子透镜设置在圆心的正下方。

更进一步的，所述的曲面为半鼓型壳；组合状态下，多个所述的微杯底面相接组成所述的曲面。

作为优选的实施方式，所述的变间距纳米等离子透镜包括0°光栅单元、45°光栅单元、90°光栅单元、135°光栅单元；

每个所述光栅单元覆盖相邻的像素点，均匀分布在整个CMOS图像传感器。

一种基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生导航方法，包括如下步骤：

—采用所述的偏振微光增强装置，分别获取0°、45°、90°和135°偏振光信号；