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仿生偏振光罗盘太阳位置检测方法

杨江涛 王明凯 刘思拓 梁磊 刘志 郭越

杨江涛, 王明凯, 刘思拓, 梁磊, 刘志, 郭越. 仿生偏振光罗盘太阳位置检测方法[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(3): 548-559. doi: 10.37188/CO.2023-0192
引用本文: 杨江涛, 王明凯, 刘思拓, 梁磊, 刘志, 郭越. 仿生偏振光罗盘太阳位置检测方法[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(3): 548-559. doi: 10.37188/CO.2023-0192
YANG Jiang-tao, WANG Ming-kai, LIU Si-tuo, LIANG Lei, LIU Zhi, GUO Yue. Detection method of solar position using a biomimetic polarized light compass[J]. Chinese Optics, 2024, 17(3): 548-559. doi: 10.37188/CO.2023-0192
Citation: YANG Jiang-tao, WANG Ming-kai, LIU Si-tuo, LIANG Lei, LIU Zhi, GUO Yue. Detection method of solar position using a biomimetic polarized light compass[J]. Chinese Optics, 2024, 17(3): 548-559. doi: 10.37188/CO.2023-0192

仿生偏振光罗盘太阳位置检测方法

doi: 10.37188/CO.2023-0192
基金项目: 国家自然科学基金(No. 61905172);山西省基础研究计划面上项目(No. 202303021211169);太原科技大学研究生教育改革研究项目(No. JG2022009);山西省科技创新人才团队(No. 202304051001035);太原科技大学研究生创新项目(No. SY2022018);山西省科研实践创新类项目(No. 2023KY649)
详细信息
    作者简介:

    杨江涛(1988—),男,山西运城人,博士,副教授,硕士生导师,2015年、2018年于中北大学分别获得硕士、博士学位,主要从事仿生导航及信息系统方面的研究。E-mail:yangjiangtao6567@tyust.edu.cn

  • 中图分类号: P401;Q241.2

Detection method of solar position using a biomimetic polarized light compass

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61905172); Shanxi Province Basic Research Program General Project (No. 2023030211169); Research Project on Graduate Education Reform at Taiyuan University of Science and Technology (No. JG2022009); Shanxi Provincial Science and Technology Innovation Talent Team (No. 202304051001035); Graduate Innovation Program of Taiyuan University of Science and Technology (No. SY2022018); Scientific Research Practice Innovation Project of Shanxi Province (No. 2023KY649)
More Information
  • 摘要:

    针对偏振光导航对天空中特征点精确位置信息的需求,提出一种基于全天域偏振模式成像系统对太阳位置进行精确检测的方法。与传统的基于光斑的太阳位置检测方法相比,该方法利用大气中固有的偏振信息完成对太阳位置的精确测量,具有检测方法简单、精度高且适用范围广等特点。搭建的光学采集系统由三个微小型的大视场摄像头模组和偏振片构成,使得结构更加紧凑,体积更小,高度更低。从原理出发,仿真分析太阳位置求解算法,采用搭建的光学采集系统对本算法在3种天气(晴天、遮挡、气溶胶)环境下进行验证。结果显示:当天气晴朗时,在同一天不同时刻,测量的太阳高度角和方位角的精度分别为0.024°和0.03°;当太阳被高层建筑物遮挡时,太阳的高度角和方位角的测量精度分别为0.08°和0.05°;当太阳被树木的枝叶遮挡时,太阳的高度角和方位角的测量精度分别为0.3°和0.1°。研究发现当气溶胶的浓度超过一定量时就会破坏偏振光的Rayleigh分布模式,进而会影响太阳位置的检测精度。实验结果表明,这种新型的检测方法不仅能够满足偏振光导航对太阳位置精确信息的需求,还能为喜欢探索宇宙奥秘的爱好者提供一种新的探索思路。

     

  • 图 1  三通道偏振成像系统示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of the three-channel polarization imaging system

    图 2  标定系统图

    Figure 2.  Calibration system

    图 3  坐标示意图

    Figure 3.  Coordinate diagram

    图 4  太阳矢量敏感算法流程图

    Figure 4.  Flowchart of sun vector sensitivity algorithm

    图 5  转动方向示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of rotation direction

    图 6  基准变换示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of benchmark transformation

    图 7  优化初值对算法影响

    Figure 7.  The effect of iterative initial value on the algorithm

    图 8  评价函数分布

    Figure 8.  The distribution of evaluate function

    图 9  改进的偏振角评价函数分布图

    Figure 9.  The distribution of improved AOP evaluation function

    图 10  改进评价函数后算法仿真结果

    Figure 10.  Simulation results of improved AOP evaluation function

    图 11  大气偏振模式测量系统

    Figure 11.  The full sky polarization measurement system

    图 12  不同时间太阳位置的DOP和AOP分布

    Figure 12.  The distributions of DOP and AOP of the solar position at different times

    图 13  晴朗天气下的实验数据分析图

    Figure 13.  Experimental data in clear weather

    图 14  遮挡情况下太阳位置解算

    Figure 14.  The solar position calculation under occlusion

    图 15  建筑物遮挡实验数据分析图

    Figure 15.  Experimental data in clear weather in the presence of buildings

    图 16  树木遮挡实验数据分析图

    Figure 16.  Experimental data in clear weather in the presence of trees

    图 17  气溶胶天气下太阳位置解算

    Figure 17.  Calculation of position of the sun in aerosol weather

    图 18  气溶胶天气下的实验数据分析图

    Figure 18.  Experimental data analysis chart under aerosol weather

    太阳位置的多次迭代算法
    计算太阳的空间位置:$ {\boldsymbol{S}} = \left( {{h_{\rm{s}}},{\alpha _{\rm{s}}}} \right) $
    $ k = {\text{0}} $时
      选取初始值 $ {{\boldsymbol{S}}_{\text{0}}} $
      选择迭代终止条件 $ \varepsilon $>0,且为一个很小的常数
      确定最大迭代次数
    计算雅可比矩阵:
    使用公式(11)计算雅克比矩阵 $ {\boldsymbol{J}}\left( {{{\boldsymbol{S}}_k}} \right) $
    将$ \Delta \left( {{{\boldsymbol{S}}_k}} \right) $代入式(9)中的雅克比矩阵$ {\boldsymbol{J}}\left( {{{\boldsymbol{S}}_k}} \right) $
    $ {{\boldsymbol{g}}_k} = {\boldsymbol{J}}\left( {{{\boldsymbol{S}}_k}} \right){\boldsymbol{F}}\left( {{{\boldsymbol{S}}_k}} \right),{{\boldsymbol{S}}_{k + {\text{1}}}} = {{\boldsymbol{S}}_k} + \Delta {{\boldsymbol{S}}_k} $
    如果 $ \left\| {{{\boldsymbol{g}}_k}} \right\| \lt \varepsilon $,或者 $ k \gt n $,迭代停止
    输出 $ {{\boldsymbol{S}}_k} $
    结束
    通过式(10)计算 $ {{\boldsymbol{S}}_{k + {\text{1}}}} $
    迭代继续
    如果 $ \left\| {{{\boldsymbol{g}}_k}} \right\| \geqslant \varepsilon $,或者 $ k \leqslant n $
    $ k = k + {\text{1}} $
    计算雅克比矩阵
    ...
    直到 $ \left\| {{{\boldsymbol{g}}_k}} \right\| \lt \varepsilon $,$ k \gt n $,然后计算 $ {{\boldsymbol{S}}_k} $
    结束
    计算 $ {h_{\rm{s}}} $,$ {\alpha _{\rm{s}}} $
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    表  1  实验数据表

    Table  1.   Experiment data list

    时间 太阳的理论位置 基于改进的偏振角
    模型计算的太阳位置
    误差
    $\alpha_s $ hs $\alpha_s $ hs $\alpha_s $ hs
    8:00 95.333 23.450 95.365 23.472 0.031 0.022
    9:00 105.216 35.529 105.189 35.554 −0.028 0.025
    10:00 117.819 46.959 117.791 46.939 −0.028 −0.020
    11:00 135.892 56.827 135.857 56.800 −0.035 −0.027
    12:00 162.984 63.167 163.018 63.143 0.033 −0.024
    13:00 196.214 63.255 196.178 63.276 −0.036 0.021
    14:00 223.550 57.040 223.519 57.063 −0.032 0.022
    15:00 241.809 47.232 241.838 47.212 0.029 −0.020
    16:00 254.509 35.826 254.545 35.807 0.036 −0.019
    17:00 264.438 23.757 264.469 23.783 0.031 0.026
    18:00 273.160 11.486 273.192 11.504 0.032 0.018
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-22
  • 修回日期:  2024-02-06
  • 录用日期:  2024-02-20
  • 网络出版日期:  2024-03-05

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