劉 俊，唐 軍，申 沖

（電子測試技術國家級重點實驗室，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，中北大學儀器與電子學院，太原030051）

大氣偏振光導航技術

劉 俊，唐 軍，申 沖

（電子測試技術國家級重點實驗室，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，中北大學儀器與電子學院，太原030051）

為克服現(xiàn)有導航技術在戰(zhàn)場應用中存在的不足，借鑒生物光學導航機理，開發(fā)新的導航方式，是未來導航技術研究的一個重要發(fā)展趨勢。本文對自然界中的昆蟲光學導航機理進行了介紹和分析，并對大氣偏振光導航的發(fā)展趨勢進行了探討，提出了大氣振光導航技術發(fā)展過程中需要解決的關鍵問題。

仿生技術；大氣偏振光；偏振光導航；慣性/偏振光組合導航

0 引言

昆蟲具有簡單的大腦和極其微弱的計算能力，但是卻表現(xiàn)出令人驚嘆的復雜導航行為。億萬年的進化，使得昆蟲具有了與哺乳動物截然不同的神經結構和導航機理。因此，研究昆蟲的導航原理，并將其應用于現(xiàn)代導航技術，已經成為導航學未來發(fā)展的趨勢。

研究顯示，沙蟻、蟋蟀、蝗蟲等昆蟲通過利用其復眼結構以及子眼內部的偏振敏感單元對天空偏振光模式進行感知。它們即使在晴空面積少于10%或天空布滿大霧的情況下仍能準確的確定出偏振度與偏振角，從而確定方位。其偏振光感知的核心機理為其敏感神經元（POL-神經元）具有高的偏振對比度，其檢測魯棒性好，具有很高的容錯率，可實現(xiàn)高精度的偏振信息提取。同時曲面復眼結構具有大視場、響應快、精度高等特點，可實現(xiàn)大區(qū)域條件下的偏振態(tài)的實時檢測[1-2]。

基于自然偏振特性的仿生偏振光導航方法是一種新型自主導航方法，是以沙蟻等生物高度敏感的偏振視覺感知與導航功能為生物基礎，以太陽光的自然偏振特性為理論依據，通過對大氣偏振模式的檢測和演算，實現(xiàn)對載體姿態(tài)信息的判斷，是一種適合于弱/無衛(wèi)星導航信號的陌生環(huán)境下的自主導航方法。這些特點對無人作戰(zhàn)平臺戰(zhàn)場特殊環(huán)境下的自主導航與定位有很強的指導意義和重要的應用價值。偏振光導航作為一種以太陽為信息載體的天文導航，在導航方式上具有不易受電磁/人為干擾、全天、全球化的特點[3-5]。這些特點為目前導航技術的研究的提供了一個全新的思路。

總之，相比傳統(tǒng)的導航方式而言，偏振光導航系統(tǒng)具有精度高、靈敏度好、集成度高及抗干擾能力強等優(yōu)點，是提高慣導姿態(tài)測量的一種有力補充手段，因此基于大氣仿生偏振光的導航系統(tǒng)在導航定位領域有著較大的研究價值和廣闊的應用前景。

1 偏振光導航國內外發(fā)展歷程

偏振光導航作為一種新穎的導航技術，其研究始于人類對某些生物導航行為的探索和鉆研。當前，包括美國和俄羅斯在內的多個國家的學者都在對生物的偏振光導航技術進行研究。國外從1949年就開始了對蜜蜂利用偏振光進行導航的研究。自2000年至今，國外的研究取得了一系列科研成果：2000年，Dimitrios.L等[6]受昆蟲導航能力的啟發(fā)，研制出相應的平臺，并成功用于移動機器人Sahabot2上；2002年，Vitzthum.H等[7]對蝗蟲偏振對立神經元進行研究，首次使得處理偏振光信息成為可能；Wohlgemuth.S等[8]將沙蟻的導航行為擴展到三維空間，對沙蟻上山和下山的行為進行了充分研究；Thomas.L等[9]研究表明蜜蜂和沙蟻均為從天空偏振光分布模式中獲取方向信息，但距離的推算過程有區(qū)別；2003年，Marie. D等[10]在Nature上報導了首次發(fā)現(xiàn)某些動物可以在夜間利用月光偏振進行導航定位；Thomas.W等[11]討論了水下生物的偏振視覺及其在目標識別和增強對比度以及信號探測等方面的作用；Oren.F等[12]發(fā)現(xiàn)蝴蝶依靠生物鐘和偏振羅盤的組合導航進行長距離遷徙；2004年，美國航天局提出了可以用于火星探測計劃的偏振光輔導組合導航方法，以解決火星重力低和無線電導航應用的限制[13]；2005年，Shai.S等[14]對水下偏振光進行了測試并進行了仿真研究；2006年，Rudiger.W和Martin.M[15]通過實驗驗證了沙蟻主要依靠偏振光導航的基本原理；Rachel.M[16]發(fā)現(xiàn)南美大草原的麻雀利用日出和日落時的天空偏振光的分布校正地磁信息；2007年，Ramon.H等[17]討論了由森林火災引起的煙霧對偏振光導航的昆蟲將會造成很大影響；2008年，Tsyr.H等[18]對頭足類動物和口腳類動物中發(fā)現(xiàn)的四種偏振器的精細結構和光學特性進行分析和比較，發(fā)現(xiàn)它們具有相似的偏振視覺系統(tǒng)，都對450nm～550nm波段的偏振光反應敏感；2010年，Mukul.Sarkar等[19]提出了基于CMOS的偏振成像傳感器，能實時測量天空偏振光信息；2011年，Hebib.S等[20]設計了測量多波段的圓偏振閉環(huán)電路；2012年，美國陸軍研究實驗室研發(fā)出一種小體積和高精度的傳感器原型機供單兵作戰(zhàn)和訓練使用；2013年，Mukul.Sarkar[21]設計了基于CMOS偏振傳感器的偏振導航系統(tǒng)；2014年，德國洪堡州立大學的學者[22]對沙蟻利用偏振光和太陽羅盤的交互作用進行路徑積分進行了研究。

雖然國內的相關研究則起步較晚，但是近幾年發(fā)展迅速。1998年，中科院生物物理所[23]對螞蟻的行為研究表明，螞蟻能夠利用人工照明作為其捷徑返巢導航的參照系統(tǒng)；2005年，中科院上海光機所[24]在技術設計上初步實現(xiàn)了偏振光導航功能；2007年，哈爾濱工業(yè)大學[25]提出了偏振光/地磁/ GPS/SINS組合導航方法，從理論上論證了偏振光作為輔助導航的作用和意義；2009年，合肥工業(yè)大學[26]對偏振光導航輔助組合導航系統(tǒng)進行了研究，指出系統(tǒng)誤差源的分析和誤差補償是后期研究重點；2010年，北京理工大學與北京大學聯(lián)合對天空偏振光分布模型和天空偏振光定向機理進行了深入研究[27]；2011年，大連理工大學開發(fā)出一種檢測天空偏振光的導航傳感器，并進行了移動機器人實驗[28]，海軍潛艇學院提出了一種利用水下散射光的振動方向進行導航的方法[29]；2012年，北京大學進行了仿生偏振導航光電測試系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[30]；2013年，北京航空航天大學對偏振光組合導航系統(tǒng)進行了一系列研究，將偏振光應用到靜基座初始對準，取得了初步研究成果[31-32]，東南大學設計了慣性/重力/計程計/偏振光組合導航系統(tǒng)的信息融合方式，增強了系統(tǒng)導航性能[33]，中北大學提出了仿生復眼光學偏振傳感器及其大氣偏振E矢量檢測應用，實現(xiàn)了偏振光自主導航[34]，大連理工大學提出了一種面向偏振光傳感器的無人機導航平臺[35]，北京航空航天大學設計了一種偏振導航傳感器標定系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法[36]，合肥工業(yè)大學提出了一種基于沙蟻POL-神經元模型的航向角處理方法[37]；2014年，中北大學對基于ZEMAX的仿生DRA復眼陣列進行了仿真和分析，結果表明提出的方法能夠有效檢測天空偏振分布模式（E-矢量分布模式）[38]，國防科技大學以CCD相機，魚眼相機和線性偏振片為核心器件設計了一種天空偏振光測量裝置[5]，清華大學提出了基于連續(xù)旋轉檢測器的天空偏振光探測裝置[39-40]，南昌大學對基于偏振光輔助定向的車輛自主式導航方法進行了研究[41]。

圖1 合肥工業(yè)大學設計的偏振光傳感器Fig.1 The polarization sensors designed by HFUT

圖2 大連理工大學設計6通道偏振光傳感器Fig.2 The polarization sensors with 6 channels designed by DLUT

圖3 中北大學設計的6通道偏振光傳感器Fig.3 The polarization sensors with 6 channels designed by NUC

由偏振光導航技術的國內外發(fā)展歷程可以看出，國外對仿生偏振光導航研究的起步較早，而近五年國內對仿生偏振光導航技術的研究則發(fā)展迅速，取得了一系列成果?？梢灶A見，仿生偏振光導航技術必將在導航領域占據一席之地。

2 偏振光導航技術

2.1 大氣偏振光

太陽光經地球中遇到大氣中粒子時，會產生散射現(xiàn)象，散射現(xiàn)象會在光波的所有頻譜段發(fā)生，并且會改變光的偏振狀態(tài)。大氣粒子主要由氣體分子組成，瑞利散射描述為大氣偏振模式，是地球的自然屬性之一，圖4為大氣中光的偏振模型。大氣偏振模式中包含有重要的方向信息，其偏振度、偏振方向等參數(shù)信息隨著太陽位置、地理位置、大氣環(huán)境、天氣狀況以及地面環(huán)境的改變而產生相應的變化，偏振光是一種矢量方向不變，大小隨相位變化的光，大氣偏振光為偏振光與自然光的疊加體，稱為部分偏振光。

圖4 大氣偏振光的形成Fig.4 The formation of atmosphere polarization

瑞利散射模型與大氣偏振模型具有很好的相似度，可以利用瑞利模型來對實際的大氣偏振態(tài)進行分析，圖5為某一時刻基于瑞利散射的大氣偏振態(tài)的三維分布，其中雙箭頭表示E矢量方向，數(shù)字表示該同心圓上的偏振度，從圖中可以看出偏振度以天頂為軸心對稱分布，隨著距離太陽角度的增加而升高，在距離太陽90°的位置達到最大值，再朝著反太陽位置時不斷減少，E矢量關于當?shù)靥栕游缇€呈現(xiàn)逆對稱分布，根據瑞利散射模型，某觀測點上的偏振信息在時間、地點、觀測方向的共同作用下，具有唯一性。因此可以通過檢測頭頂區(qū)域的偏振信息，結合偏振態(tài)分布的穩(wěn)定對稱性，求解出對稱線—太陽子午線的位置，并且太陽子午線的位置在地理坐標系中的方位是精確可知的。由于偏振矢量在強度和方向隨著與太陽子午線的夾角變化而發(fā)生變化，具有唯一性，這樣就可以準確的反演出觀測方向在地理坐標中的方位，為導航提供航向信息。

圖5 大氣偏振態(tài)的三維分布Fig.5 3D distribution of atmosphere polarization

2.2 偏振光導航機理

由大氣的偏振模式可知，觀測者所觀測到的區(qū)域中的偏振信息，與觀測者所在位置、觀測方向、太陽位置以及大氣環(huán)境密切相關。在天球坐標系中，由觀測者O點的經緯度、觀測日期以及觀測時刻，能夠獲得當前時刻太陽高度角hs和太陽方位角，有：

其中δ為太陽赤緯角、β為觀測點O點的緯度、t為太陽時角。對于選定的時間可以計算出此時本地子午線的時角，對于選定的地點，即地理的經度緯度已知。通過時間、地點可以唯一確定太陽子午線在該地地理坐標中的投影方位，同時天空偏振E矢量的分布是以該時刻、該地點的太陽子午線為對稱分布的?？赏ㄟ^對天空偏振信息進行檢測，解算出太陽子午線與運動載體所成的夾角，再結合在具體時刻、具體地點已知的情況下太陽方位角在地理坐標中的確定性，運動載體與太陽子午線所成的夾角即可轉化為運動載體在地理坐標中的方位角。

2.3 慣性/偏振光組合導航技術

仿生偏振光/慣性組合導航系統(tǒng)基本原理就是借助于上述分系統(tǒng)的導航機理將把來自于仿生偏振光陣列傳感器和慣性導航加速度傳感器、陀螺儀測量的姿態(tài)與定位數(shù)據有機的融合起來，利用不同導航系統(tǒng)測量值的互補特性提取各子系統(tǒng)誤差并進行校正補償，以提高整個導航系統(tǒng)的性能的方法。其核心問題就是軟硬件平臺的搭建和導航系統(tǒng)誤差的估計和補償，如圖6所示。

圖6 偏振光傳感器和慣導組合導航原理圖Fig.6 The flowchart of polarization sensors/inertial integrated navigation

在整個系統(tǒng)構成中，慣性導航完成三維測姿、定位的重要功能，仿生偏振光導航起到輔助定姿、定位，修正慣導積累誤差，發(fā)揮優(yōu)勢互補的重要作用。在原理上講，慣性傳感器利用力學基本原理由加速度計測量載體的加速度，并在給定運動初始條件下，由導航計算機計算出載體的速度、距離和位置（或經緯度）；由陀螺儀測量載體的角運動，并經轉換、處理、輸出載體的姿態(tài)和航向。而仿生偏振光陣列傳感器可以全天候、強地磁干擾的情況下很好的工作，通過檢測大氣偏振模式實時獲得載體運動姿態(tài)角信息，沒有誤差累積；并利用偏振光陣列傳感器不同觀測點大氣偏振模式空間顯著特征的變化，基于感器陣列的空間位置幾何關系，就可以計算出目標位置地點，實現(xiàn)偏振光導航的定位，這恰恰是GPS以及慣性導航獲取姿態(tài)信息及位置信息所不具備的。并結合卡爾曼濾波技術將二者的數(shù)據進行融合處理，實現(xiàn)整個導航系統(tǒng)的高精度、高可靠性目標。

3 大氣仿生偏振光導航技術需解決的關鍵問題

3.1 大氣偏振模式及其分布理論研究

很多動物能夠利用天空中相對穩(wěn)定的偏振模式圖確定參考方向及自己的航向信息，那么，如果感知大氣偏振光模式及分布和在不同天氣條件下有效利用大氣偏振光信息確定當前航向便成為偏振光導航技術需解決的關鍵問題。

3.2 仿生模型的提取及傳感器設計

利用傳感器對大氣偏振光進行有效探測，是利用偏振光信息進行導航的重點也是難點。

3.3 傳感器及導航系統(tǒng)設計

設計并實現(xiàn)高精度的偏振光導航傳感器，是實現(xiàn)偏振光導航的目標之一。偏振光導航傳感器的設計包括光電接收模塊，信號處理模塊，數(shù)據采集模塊和角度計算模塊的設計和實現(xiàn)。其中，光電接收模塊設計的好壞直接影響導航試驗平臺的適用性和精度，因此高精度偏振光傳感器的設計是利用大氣偏振光進行導航應用的前提。

3.4 傳感器的三維姿態(tài)測試技術研究

傳統(tǒng)偏振光導航技術只能提供二維航向信息，如何利用偏振光傳感器實現(xiàn)載體的三維姿態(tài)測量，是偏振光導航技術實際應用需解決的關鍵問題。

3.5 偏振光/慣導組合導航系統(tǒng)研究

偏振光輔助慣性的組合導航系統(tǒng)中存在著各種類型和特性的干擾，必須對這些干擾進行有效處理，才能提高組合系統(tǒng)的導航精度和可靠性。在確定的硬件環(huán)境中，從軟件和算法的角度研究各類多源系統(tǒng)抗干擾濾波方法，是提高慣性/偏振光組合導航系統(tǒng)精度及可靠性的一種有效方法。因此，建立高精度的組合導航模型并設計有效的多級容錯濾波算法是實現(xiàn)慣性/偏振光組合導航系統(tǒng)的高精度和高可靠性的關鍵技術。

4 結論

偏振光導航是一種基于自然特性的新型仿生導航方式，其與慣性導航系統(tǒng)進行組合，對解決陌生環(huán)境下的自主導航與定位的科學問題具有重大指導意義。但是在偏振光導航的實際應用中，還存在一些關鍵技術問題需要解決，如大氣偏振模式及其分布，大氣偏振光信息的有效檢測方法，偏振光導航傳感器及系統(tǒng)的設計，偏振光三維姿態(tài)測量和慣性/偏振光組合導航系統(tǒng)等。解決上述關鍵技術問題，實現(xiàn)自主性強，隱蔽性好的偏振光導航系統(tǒng)并與慣性導航系統(tǒng)進行組合，必將成為自主導航領域的研究熱點。

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Atmospheric Polarization Navigation Technology

LIU Jun,TANG Jun,SHEN Chong
(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement,Ministry of Education,School of Instrument and Electronics,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In order to overcome the current disadvantages of navigation technologies in the battlefield applications nowadays,developing other novel navigation methods especially bio-optical navigation methods is one of the important development trends.In this paper,the insect optical navigation mechanism is introduced and analyzed,and the development trends of atmospheric polarization navigation technology are discussed.Finally,the key problems during the development process of atmospheric polarization navigation technology are proposed.

Bionic technology;Atmospheric polarization;Polarization navigation;Inertial/polarization integrated navigation

U666.1

A

2095-8110（2015）02-0001-06

2014-12-05；

2015-01-07。

國家杰出青年基金（2012CB723404）；國家自然科學基金（91123016,61171056）

劉俊（1968-），男，教授，博士生導師，主要從事微納慣性器件方面的研究。E-mail:liuj@nuc.edu.cn