CN115060292B - 一种基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于偏振视觉导航传感器测试领域，具体是涉及到一种基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，包括如下步骤：分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致；采集被测偏振视觉导航传感器每次旋转后每个像素点的像素响应值；将每个像素点拟合出像素响应正弦曲线；计算每个像素点的像素响应值与像素响应正弦曲线的距离和，将距离和与阈值进行比较，距离和小于等于阈值，判定该像素点为内点，反之为外点；利用筛选出的所述内点计算被测偏振视觉导航传感器的消光比；记录外点的比例，用来评估被测偏振视觉导航传感器加工的质量，本发明方法不仅可以提高消光比的测试精度，还可以对被测偏振视觉导航传感器的质量进行评估。

Description

一种基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法

技术领域

本发明属于偏振视觉导航传感器测试领域，具体是涉及到一种基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法。

背景技术

在卫星拒止条件下，准确的获取载体的位置是一大难题。目前传统的手段主要包括使用视觉、惯性以及雷达等传感器的组合导航实现载体自主定位。生物卓越的导航能力受到了学者的关注，研究表明沙漠蚂蚁、北极燕鸥以及信鸽等都可以使用天空偏振光进行导航。太阳光经过大气的散射形成的天空偏振光是一种优秀的导航源，生物通过敏感偏振方向即可实现自主定向。这为解决自主导航难题提供了新的思路，研究新型的偏振光传感器敏感天空偏振光即可测得载体的绝对航向，具有抗干扰、全自主、误差不累计的特点。

受到沙漠蚂蚁复眼的启发研制的阵列式偏振视觉导航传感器可以有效的测量偏振信息，从而测得载体的绝对航向。这种阵列式偏振光传感器一般需要在每四个像素刻蚀不同方向的偏振纳米光栅，消光比是评估加工工艺的一个重要指标。传统的消光比测试方法一般是在偏振光源下转动待测传感器，用每一像素在整个过程中的响应的最大值除以最小值，统计每个像素得到消光比。这种方法无法判断传感器是否存在加工失败的像素点，且对于存在加工失败像素点的传感器所进行消光比评估是不准确的，使得整个偏振光传感器研究在基础数据的获取就存在不够准确的问题，对整个研究的正确形和权威性产生严重的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可判断传感器是否存在加工失败像素点，并在此基础上可提高消光比测试精度的基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法及装置。

本发明提供一种基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，包括如下步骤：

分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致；

采集被测偏振视觉导航传感器每次旋转后每个像素点的像素响应值；

将每个像素点根据多个所述旋转角度以及与多个旋转角度所对应的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线；

计算每个像素点的在每次旋转后的像素响应值与像素响应正弦曲线的纵向距离并求和获得距离和，将距离和与阈值进行比较，距离和小于等于阈值，判定该像素点为内点，反之为外点；

利用筛选出的所述内点计算被测偏振视觉导航传感器的消光比；记录外点的比例。

更进一步地，将每个像素点根据多个所述旋转角度以及与多个旋转角度所对应的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线包括：

制作坐标系，坐标系以旋转角度为横坐标，像素响应值数值为纵坐标；将多个像素响应值作为数据录入坐标系中；将像素点多个像素响应值中的最大值作为所述像素响应正弦曲线的波峰，将像素点多个像素响应值中的最小值作为所述像素响应正弦曲线的波谷拟合出像素响应正弦曲线。

更进一步地，所述分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致包括：

所述被测偏振视觉导航传感器共旋转36次，每次旋转10°，每个像素点包括36个像素响应值。

更进一步地，所述分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致包括：

所述被测偏振视觉导航传感器共旋转12次，每次旋转30°，每个像素点包括12个像素响应值。

更进一步地，分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致包括：

将被测偏振视觉导航传感器设置在旋转平台上，旋转平台驱动偏振视觉导航传感器旋转。

更进一步地，在所述采集被测偏振视觉导航传感器每次旋转后每个像素点的像素响应值的同时，对被测偏振视觉导航传感器的相平面发射高消光比的偏振光。

更进一步地，所述发射高消光比的偏振光通过均匀光源和线性偏振片产生，线性偏振片的消光比高于被测偏振视觉导航传感器的消光比。

更进一步地，在分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周时，将被测偏振视觉导航传感器相对于线性偏振片进行调平，使被测偏振视觉导航传感器的相平面与线性偏振片平面保持相互平行。

更进一步地，利用筛选出的所述内点计算被测偏振视觉导航传感器的消光比包括：

构建消光比计算模型，所述消光比计算模型为：

其中，

表示第i个像素点的消光比，

表示第i个像素点的偏振方向与来自光 源光的主偏振分量方向重合时的像素响应值；

表示第i个像素点的偏振方向与来自光源 光的主偏振分量方向垂直时的像素响应值；

表示

与

均减去被测偏振视觉导航传 感器所有像素点在转动过程中像素响应值最小值的均值，abs表示

-

的绝对值。

本发明还提供一种基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评装置，包括：

驱动平台：驱动平台分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致；

采集模块：采集模块采集被测偏振视觉导航传感器每次旋转后每个像素点的像素响应值，将每个像素点根据所述旋转角度以及每次旋转后的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线；

拟合模块：拟合模块将每个像素点根据多个所述旋转角度以及与多个旋转角度所对应的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线；

筛选模块：筛选模块计算每个像素点的在每次旋转后的像素响应值与像素响应正弦曲线的纵向距离并求和获得距离和，将距离和与阈值进行比较，距离和小于等于阈值，判定该像素点为内点，反之为外点；

消光比计算模块：消光比计算模块利用筛选出的所述内点计算被测偏振视觉导航传感器的消光比；

记录模块：记录模块记录外点的比例。

本发明的有益效果是，本发明通过采集被测偏振视觉导航传感器每次旋转后每个像素点的像素响应值，并且通过将每个像素点旋转一周中的所有像素响应值拟合为一条像素响应正弦曲线，计算每个像素点的在每次旋转后的像素响应值与像素响应正弦曲线的纵向距离并求和获得距离和，根据该距离和与阈值进行比较判断每个像素点是否合格，合格的记为内点，参与后续的消光比计算，不合格的记为外点，不参与后续的消光比计算。以此克服了传统方法会将外点纳入评测范围导致消光比测试精度差的问题，提高了在被测偏振视觉导航传感器存在外点时的消光比测试精度，为准确的偏振光导航提供基础。同时可以根据外点的比例判断被测偏振视觉导航传感器的生产质量，可全面评估偏振视觉导航传感器的性能，并可以在之后的偏振光导航中不使用这些外点，提高偏振导航的精度。

附图说明

附图1为本发明的流程示意图。

附图2为本发明的结构示意图。

附图3为本发明中内点的像素响应值示意图。

附图4为本发明中外点的像素响应值示意图。

在图中，1-均匀光源；2-线性偏振片；3-被测偏振视觉导航传感器；4-旋转平台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1-4所示，本发明提供一种基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，包括如下步骤：

分多次旋转被测偏振视觉导航传感器3一周，且每次旋转角度一致；

采集被测偏振视觉导航传感器3每次旋转后每个像素点的像素响应值；

将每个像素点根据多个所述旋转角度以及与多个旋转角度所对应的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线；

计算每个像素点的在每次旋转后的像素响应值与像素响应正弦曲线的纵向距离并求和获得距离和，将距离和与阈值进行比较，距离和小于等于阈值，判定该像素点为内点，反之为外点；

利用筛选出的所述内点计算被测偏振视觉导航传感器3的消光比；记录外点的比例。

在偏振视觉传感器的纳米光栅加工过程中，可能由于工艺导致某个像素点加工失败，本发明将加工失败的像素点成为外点，合格的像素点成为内点，经过实验发现外点的响应也有明暗变化，但是外点响应不符合正弦变化曲线，本发明利用正弦一致性响应原理进行外点和内点的区分。

本发明通过采集被测偏振视觉导航传感器3每次旋转后每个像素点的像素响应值，并且通过将每个像素点旋转一周中的所有像素响应值拟合为一条像素响应正弦曲线，计算每个像素点的在每次旋转后的像素响应值与拟合出的像素响应正弦曲线的纵向距离并求和获得距离和，根据该距离和和阈值比较判断每个像素点是否合格，合格的记为内点，参与后续的消光比计算，不合格的记为外点，不参与后续的消光比计算。此时可以克服了传统方法会将外点纳入评测范围导致消光比测试精度差的问题，提高了在被测偏振视觉导航传感器存在外点时的消光比测试精度，为准确的偏振光导航提供基础。同时可以根据外点的比例判断被测偏振视觉导航传感器3的生产质量，可全面评估偏振视觉导航传感器的性能，并可以在之后的偏振光导航中不使用这些外点，提高偏振导航的精度。本发明所提供的方法可以在原有的消光比测试结构上进行，其方法操作简单，鲁棒性强。

另外，本发明由于每个像素点的多个像素响应值获取方便快捷精准，使得像素点的合格判断算法简单可靠，保证内外点判断准确。

在其中一个实施例中，将每个像素点根据多个所述旋转角度以及与多个旋转角度所对应的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线包括：

制作坐标系，坐标系以旋转角度为横坐标，像素响应值数值为纵坐标；将多个像素响应值作为数据录入坐标系中；将像素点多个像素响应值中的最大值作为所述像素响应正弦曲线的波峰，将像素点多个像素响应值中的最小值作为所述像素响应正弦曲线的波谷拟合出像素响应正弦曲线。

具体如图3和图4所示，在拟合像素响应正弦曲线时，首先制作坐标系，坐标系横轴为旋转角度，以每次旋转30°，共选择12次为例，图上横轴从-90°至90°度，每隔30°有一个像素响应值。坐标系纵轴为像素响应值的数值，即像素响应值为外界偏振光经过每一个像素的纳米光栅后，对应到拍摄的图像像元大小，一般为0到255。每次旋转后获得每个像素的12个像素响应值录入坐标系中。拟合过程中，以坐标系中像素响应值中的最大值为正弦曲线的波峰，以坐标系中像素响应值中的最小值为正弦曲线的波谷拟合像素响应正弦曲线。

因为每一个像素点的像素响应的幅值都是不同的（中心区域幅值大，边缘区域幅值小），本实施例针对每一个像素点拟合出不同的像素响应正弦曲线进行该点内外点评判标准，可以与像素点的特性进行匹配，保证评判的准确性。

在其中一个实施例中，所述被测偏振视觉导航传感器共旋转36次，每次旋转10°，每个像素点包括36个像素响应值。本实施例通过38个像素响应值确认像素响应值的最大值和最小值，使数据更加精准，拟合出的像素响应正弦曲线更准确，对像素点的合格与否提出了较为严格精准的判定标准。

在另一个实施例中，所述被测偏振视觉导航传感器共旋转12次，每次旋转30°，每个像素点包括12个像素响应值，本实施例相对提高了测试效率，减少了每个像素点像素响应值的数量，同时保证了像素点的合格与否的判定标准满足要求。

具体地，所述被测偏振视觉导航传感器3的旋转是通过旋转平台4实现的，将被测偏振视觉导航传感器3设置在旋转平台4上，旋转平台4驱动偏振视觉导航传感器旋转，旋转平台4需要保证每次对被测偏振视觉导航传感器3的旋转角度一致，并在旋转若干次后回到测试初始状态。

另外，在所述采集被测偏振视觉导航传感器3每次旋转后每个像素点的像素响应值的同时，对被测偏振视觉导航传感器3的相平面发射高消光比的偏振光。所述发射高消光比的偏振光通过均匀光源1和线性偏振片2产生，线性偏振片2的消光比高于被测偏振视觉导航传感器3的消光比。

在分多次旋转被测偏振视觉导航传感器3一周时，将被测偏振视觉导航传感器3相对于线性偏振片2进行调平，使被测偏振视觉导航传感器3的相平面与线性偏振片2平面保持相互平行，保证高消光比的偏振光能够在被测偏振视觉导航传感器3每次旋转之后均能以同样的状态作用到被测偏振视觉导航传感器3上，提高消光比和外点比例获得的精准性。

利用筛选出的所述内点计算被测偏振视觉导航传感器3的消光比包括：

构建消光比计算模型，所述消光比计算模型为：

其中，

表示第i个像素点的消光比，

表示第i个像素点的偏振方向与来自光 源光的主偏振分量方向重合时的像素响应值；

表示第i个像素点的偏振方向与来自光源 光的主偏振分量方向垂直时的像素响应值；

表示

与

均减去被测偏振视觉导航传感 器所有像素点在转动过程中像素响应值最小值的均值，abs表示

-

的绝对值。

本发明还提供一种基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评装置，包括：

驱动平台：驱动平台分多次旋转被测偏振视觉导航传感器3一周，且每次旋转角度一致；

采集模块：采集模块采集被测偏振视觉导航传感器3每次旋转后每个像素点的像素响应值，将每个像素点根据所述旋转角度以及每次旋转后的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线；

拟合模块：拟合模块将每个像素点根据多个所述旋转角度以及与多个旋转角度所对应的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线；

筛选模块：筛选模块计算每个像素点的在每次旋转后的像素响应值与像素响应正弦曲线的纵向距离并求和获得距离和，将距离和与阈值进行比较，距离和小于等于阈值，判定该像素点为内点，反之为外点；

消光比计算模块：消光比计算模块利用筛选出的所述内点计算被测偏振视觉导航传感器3的消光比；

记录模块：记录模块记录外点的比例。

本发明的具体实施例如下：

步骤一，将被测偏振视觉导航传感器3与旋转平台4固定连接，使用水平仪调平保证被测偏振视觉导航传感器3的相平面与线性偏振片2平面始终保持水平平行，将整个装置置于暗房中，旋转平台4驱动被测偏振视觉导航传感器3每次转动15°，在每次转动之后且被测偏振视觉导航传感器3的成像稳定后，记录被测偏振视觉导航传感器3当前的数据，数据包括被测偏振视觉导航传感器3每个像素点的像素响应值，旋转12次，直到转动360度，完成数据采集。

步骤二，制作坐标系，该坐标系以像素响应值数值为纵坐标，旋转角度为横坐标（-90°至90°），将每个像素点的与对应旋转角度相对应的像素响应值输入至该坐标系中，获得12个像素响应值，对该12个像素响应值的最大值为正弦曲线的波峰，最小值为正弦曲线的波谷拟合出像素响应正弦曲线，绘制每个像素点的像素响应正弦曲线；

步骤三，判断每个像素点是否合格，计算每个像素点12个像素响应值至像素响应正弦曲线纵向距离，并将12个距离值进行求和获得距离和，并对距离和与阈值进行比较，距离和小于等于阈值，则判定该像素点为内点（如图3所示），即符合要求的像素点；距离和大于阈值，则判定该像素点为外点（如图4所示），即加工失败的像素点。

步骤四，将内点划入在计算消光比的范围之内，将外点排除在计算消光比的范围之外，利用内点计算出偏振视觉导航传感器的消光比：

在旋转平台4旋转过程中，当某一个像素的偏振方向与来自光源光的主偏振分量 方向重合的时候，该像素的输出最大值

；当某一个像素的偏振方向与来自光源光的主偏 振分量方向垂直的时候，该像素的输出最小值

；这样该像素的消光比就可以通过下列公 式计算得出：

在计算第i个像素点的消光比

时，

与

均减去相机所有点在转动过程中最 小值的均值

。在实际测量过程中，在步骤二中拟合出像素响应正弦曲线对应的正弦函数 的最大值即为

，正弦函数的最小值即为

。

步骤四，将外点总数除以偏振视觉导航传感器的总像素数得到外点比例。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，其特征是，包括如下步骤：

分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致；

采集被测偏振视觉导航传感器每次旋转后每个像素点的像素响应值；

将每个像素点根据多个所述旋转角度以及与多个旋转角度所对应的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线；

计算每个像素点的在每次旋转后的像素响应值与像素响应正弦曲线的纵向距离并求和获得距离和，将距离和与阈值进行比较，距离和小于等于阈值，判定该像素点为内点，反之为外点；

利用筛选出的所述内点计算被测偏振视觉导航传感器的消光比；记录外点的比例；

利用筛选出的所述内点计算被测偏振视觉导航传感器的消光比包括：

构建消光比计算模型，所述消光比计算模型为：

其中，

表示第i个像素点的消光比，

表示第i个像素点的偏振方向与来自光源光的主偏振分量方向重合时的像素响应值；

表示第i个像素点的偏振方向与来自光源光的主偏振分量方向垂直时的像素响应值；

表示

与

均减去被测偏振视觉导航传感器所有像素点在转动过程中像素响应值最小值的均值，abs表示

-

的绝对值；

将每个像素点根据多个所述旋转角度以及与多个旋转角度所对应的像素响应值拟合出像素响应正弦曲线包括：

制作坐标系，坐标系以旋转角度为横坐标，像素响应值数值为纵坐标；将多个像素响应值作为数据录入坐标系中；将像素点多个像素响应值中的最大值作为所述像素响应正弦曲线的波峰，将像素点多个像素响应值中的最小值作为所述像素响应正弦曲线的波谷拟合出像素响应正弦曲线。

2.如权利要求1所述的基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，其特征是，所述分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致包括：

所述被测偏振视觉导航传感器共旋转36次，每次旋转10°，每个像素点包括36个像素响应值。

3.如权利要求1所述的基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，其特征是，所述分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致包括：

所述被测偏振视觉导航传感器共旋转12次，每次旋转30°，每个像素点包括12个像素响应值。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，其特征是，分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周，且每次旋转角度一致包括：

将被测偏振视觉导航传感器设置在旋转平台上，旋转平台驱动偏振视觉导航传感器旋转。

5.如权利要求4所述的基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，其特征是，在所述采集被测偏振视觉导航传感器每次旋转后每个像素点的像素响应值的同时，对被测偏振视觉导航传感器的相平面发射高消光比的偏振光。

6.如权利要求5所述的基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，其特征是，所述发射高消光比的偏振光通过均匀光源和线性偏振片产生，线性偏振片的消光比高于被测偏振视觉导航传感器的消光比。

7.如权利要求6所述的基于正弦拟合的仿生导航视觉传感器消光比测评方法，其特征是，在分多次旋转被测偏振视觉导航传感器一周时，将被测偏振视觉导航传感器相对于线性偏振片进行调平，使被测偏振视觉导航传感器的相平面与线性偏振片平面保持相互平行。

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