專利名稱：全自動大氣偏振模式圖像獲取系統(tǒng)及系統(tǒng)控制方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能信息獲取和仿生機器人導航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及仿生偏振光導航中的一 種大氣偏振模式圖像獲取系統(tǒng)及系統(tǒng)控制方式。
背景技術(shù)：
地球表面被一層大氣所包圍，大氣對太陽光的散射是十分重要的光學現(xiàn)象，是光與物質(zhì) 相互作用的結(jié)果，散射會產(chǎn)生偏振光。太陽光作為一種橫電磁波的自然光源，在進入大氣之 前是沒有偏振的。太陽光在傳輸過程中被大氣層中的空氣分子、氣溶膠粒子散射和吸收，從 而產(chǎn)生了偏振光，由不同的散射光形成的特定的偏振態(tài)分布就構(gòu)成了大氣偏振模式。 一種生 活在沙漠中的沙蟻能夠利用眼部特殊的感光結(jié)構(gòu)感受天空的偏振模式信息，利用偏振模式在 覓食和遷徙中進行導航。這種特殊的導航方法，對研究仿生機器人的導航具有深遠的指導意 義和十分重要的應(yīng)用前景，對大氣偏振模式的研究是這種導航方式研究的關(guān)鍵部分。另外， 大氣偏振信息的測量在大氣光學和偏振遙感探測等研究中有著廣泛的應(yīng)用。大氣偏振特性的 時空分布信息為反演大氣的光學和物理參數(shù)、建立大氣散射輻射偏振特性模型提供了必不可 少的素材。因此，大氣偏振模式檢測技術(shù)和方法是仿生偏振光導航和大氣偏振探測中的關(guān)鍵 技術(shù)。
Kenneth J. Voss和Yi Liu于1997年提出了基于RADS-II電子光學魚眼相機輻射分布系統(tǒng)的 偏振輻射分布相機系統(tǒng)。該系統(tǒng)由魚眼鏡頭、濾波轉(zhuǎn)換器和CCD照相系統(tǒng)組成。濾波轉(zhuǎn)換器 由中性密度濾波圓盤、偏振片、干涉濾波器和幾組鏡頭組成。通過旋轉(zhuǎn)中性密度濾波圓盤， 可以獲得不同的偏振角度。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對整個天空區(qū)域近乎180。范圍內(nèi)的偏振測量。 該系統(tǒng)的測量原理是利用魚眼鏡頭對全天空區(qū)域進行成像，光線經(jīng)過幾組光學鏡頭過渡后， 依次轉(zhuǎn)動三個不同偏振角度的偏振片，光線經(jīng)過一個干涉濾波片后到達彩色數(shù)字CCD相機， 在CCD上成合適的圓形圖像，把這些圖像經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，而后存儲到計算機中，這 樣就得到一組包含大氣偏振信息的圖片。對這些圖片利用斯托克斯矢量法處理得到整個天空 的大氣偏振模式信息。
該系統(tǒng)在具體實現(xiàn)上存在以下不足，不能簡單方便地實現(xiàn)大氣偏振信息的檢測。
1、 系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，整個系統(tǒng)需要一整套精密光學過渡器件，特別是光學成像系統(tǒng)精度 要求高，造價昂貴，增加了實現(xiàn)和誤差控制的難度。
2、 系統(tǒng)采用了魚眼鏡頭作為光學系統(tǒng)的成像鏡頭，雖然提高了測量速度，大角度光線 入射時，會給系統(tǒng)帶來很大的附加偏振度，帶來較大的誤差，全天域的測量結(jié)果不能很好的反映實際模式的分布情況。
3、系統(tǒng)采用的是普通偏振片，在拍攝過程中需要依靠步進電機實現(xiàn)三次不同偏振片的 旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動過程需要花費較長的時間而且精度不高，容易產(chǎn)生角度誤差。另外，步進電機的 機械轉(zhuǎn)動不可避免地帶來機械振動，而由于機械振動導致的拍攝區(qū)域的任何變化都會直接導 致實驗的失敗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提出一種簡單易行、測量結(jié)果準確易校準、無 需機械旋轉(zhuǎn)偏振片的全自動大氣偏振模式圖像獲取系統(tǒng)及系統(tǒng)控制方式。 本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明全自動大氣偏振模式圖像獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是系統(tǒng)構(gòu)成包括偏振成像模塊、 機械運動模塊、亮度采集模塊以及系統(tǒng)控制與處理中心；
所述偏振成像模塊為筒狀體，在所述偏振成像模塊的筒體內(nèi)，沿射入光軸線同軸依次設(shè) 置干涉濾光片、可調(diào)節(jié)相位延遲器、偏振片、短焦鏡頭及彩色數(shù)字CCD相機；對所述可調(diào)節(jié) 相位延遲器的波片施加對應(yīng)于不同延遲量的交流電壓，獲取不同的延遲量；
所述機械運動模塊具有可在水平面上360度旋轉(zhuǎn)的基座，呈筒狀體的偏振成像模塊設(shè)置 在基座上，偏振成像模塊是以其筒體底部在基座上以銷軸鉸接；在基座上設(shè)置可升降的蝸桿， 以所述蝸桿對偏振成像模塊的筒體形成三角支撐；
所述亮度采集模塊由光強檢測器構(gòu)成，所述光強檢測器固定設(shè)置在基座上，由所述光強 檢測器獲取的光強信息在系統(tǒng)控制與處理中心中得到記錄；
所述系統(tǒng)控制與處理中心通過控制器分別控制所述機械運動模塊中基座的旋轉(zhuǎn)角度和 蝸桿的舉升高度；并對由所述光強檢測器獲取的光強信息，由所述偏振成像模塊在CCD相機 中獲取的天空區(qū)域的偏振圖像在所述系統(tǒng)控制與處理中心中進行記錄和信息處理。
本發(fā)明全自動大氣偏振模式圖像獲取系統(tǒng)控制方式的特點是如下過程進行
a、 系統(tǒng)上電啟動；
b、 由控制器控制機械運動模塊中基座的旋轉(zhuǎn)和蝸桿的舉升，使偏振成像模塊調(diào)整到測 量區(qū)域方位并測量；所述測量區(qū)域方位為偏振成像模塊在其軸線呈水平的位置上，以及其軸 線與水平呈45度夾角的位置上，分別以正北為O度，從O度開始旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過60度所達到的朝 向，包括天頂方位，共13個測量區(qū)域方位，在每一次測量中，同時記錄由亮度采集模塊獲取 的亮度信息。
c、 控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓值，使可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲分量為(U，由偏振成像模塊對應(yīng)得到一組包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像/(0);
d、 控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓值，使可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲分量為^，由偏振 成像模塊對應(yīng)得到另一組包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像/(^);
e、 控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓值，使可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲分量為^，由偏振
成像模塊對應(yīng)得到又一組包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像/(^);
f、 入射光的偏振狀態(tài)由四個斯托克斯參數(shù)I、 Q、 U、 V來完全描述，其中I為總光強度， Q為O度方向直線偏振光分量，U為45度方向直線偏振光分量，V為右旋圓偏振光分量，右旋 圓偏振光分量在測量中忽略；入射光的I、 Q、 U與檢測得到包含天空大氣偏振信息的偏振強 度圖像關(guān)系如下
<formula>formula see original document page 6</formula>(1 )
令偏振度為尸、偏振橢圓方位角為^，則有
<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
偏振橢圓方位角
<formula>formula see original document page 6</formula> (3)
完成對一個天空區(qū)域偏振模式的獲取；
g、 重復(fù)步驟b至f直至檢測出所有13塊待測天空區(qū)域；
h、 對得到13塊天空區(qū)域的偏振度、偏振橢圓方位角圖片，按照13塊天空區(qū)域所在實際 方位進行拼接，得到完整的大氣偏振模式信息。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在
1、 本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成簡單，光學器件容易采購，價格適中，可復(fù)制性好，器件出廠已由 生產(chǎn)廠商作標定，大大降低誤差控制的難度。
2、 本發(fā)明系統(tǒng)采用可調(diào)節(jié)相位延遲器，只需要控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓來改變 可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲量就可以在較短時間內(nèi)對某一天空區(qū)域?qū)崿F(xiàn)偏振測量，無需機械旋 轉(zhuǎn)偏振片或波片，大大縮短了拍攝時間，克服了由于旋轉(zhuǎn)偏振片或波片帶來的機械振動以及 由于機械振動造成的拍攝區(qū)域的改變。3、 本發(fā)明系統(tǒng)采用了普通廣角鏡頭作為光學系統(tǒng)的成像鏡頭，雖然在一定程度上降低 視角范圍，但是避免了魚眼鏡頭在測量中大角度光線入射給系統(tǒng)帶來的很大的附加偏振度。
4、 本發(fā)明系統(tǒng)中設(shè)置亮度采集模塊用于測量拍攝時的天光亮度信息，系統(tǒng)保存天光亮 度信息用于后期分析比較，為不同天氣不同時間獲取的偏振圖片之間的比較提供一個基準， 使得后續(xù)結(jié)果分析更加準確。


圖l為本發(fā)明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明系統(tǒng)中偏振成像模塊與機械運動模塊的機械結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明系統(tǒng)工作流程圖4為本發(fā)明是偏振成像模塊的光路圖。
以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
具體實施例方式
參見圖l，本實施例系統(tǒng)構(gòu)成包括偏振成像模塊、機械運動模塊、亮度采集模塊以及系 統(tǒng)控制與處理中心。
系統(tǒng)控制與處理中心是通過控制器分別控制機械運動模塊中基座201的旋轉(zhuǎn)角度和蝸桿 202的舉升高度；由光強檢測器獲取的光強信息，以及由偏振成像模塊在CCD相機203中獲取 的天空區(qū)域的偏振圖像都在系統(tǒng)控制與處理中心中得到記錄和信息處理。
系統(tǒng)控制與處理中心負責整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的采集處理及存儲。主要實現(xiàn)
1、 通過控制器控制機械運動模塊的二維方向的運動；
2、 控制亮度采集模塊光強信息的采集和記錄；
3、 控制偏振成像模塊獲取天空區(qū)域的偏振圖像；
4、 存儲并處理分析由偏振成像模塊獲取的偏振圖像。
圖2所示，機械運動模塊具可在水平面上實現(xiàn)0-360度旋轉(zhuǎn)的基座201、呈筒狀體的偏振 成像模塊設(shè)置在基座201上，偏振成像模塊是以其筒體底部在基座201上以銷軸鉸接；在基座 201上設(shè)置可升降的蝸桿202，以蝸桿202對偏振成像模塊的筒體形成三角支撐，蝸桿202的升 降可以使偏振成像模塊的筒體獲得與基座201之間0-90度的可調(diào)角度；亮度釆集模塊由光強 檢測器構(gòu)成，光強檢測器固定設(shè)置在基座201上，由光強檢測器獲取的實際拍攝過程中的天 空光強信息在系統(tǒng)控制與處理中心得到記錄，用于后期分析比較。
圖2和圖4所示，偏振成像模塊為筒狀體，在偏振成像模塊的筒體內(nèi)，沿射入光軸線同軸 依次設(shè)置干涉濾光片207、可調(diào)節(jié)相位延遲器206、偏振片205、短焦鏡頭204及彩色數(shù)字CCD 相機203;對可調(diào)節(jié)相位延遲器206的波片施加對應(yīng)于不同延遲量的交流電壓，獲取不同的延具體實施中，如圖4所示，偏振片205、可調(diào)節(jié)相位延遲器206和干涉濾光片207的光學中 心均與短焦鏡頭204的光學中心在一條直線上。短焦鏡頭204安裝在彩色數(shù)字CCD相機203的 鏡頭接口中。偏振片205安裝在偏振鏡架內(nèi)，位于短焦鏡頭204的前端，可調(diào)節(jié)相位延遲器206 位于偏振片205的前端，干涉濾光片207位于可調(diào)節(jié)相位延遲器206的前端。入射光I進入偏 振成像模塊時，依次經(jīng)過干涉濾光片207、可變相位延遲器206、偏振片205、短焦鏡頭204， 最后由彩色數(shù)字CCD相機203成像。
可調(diào)節(jié)相位延遲器是一種實時、連續(xù)可調(diào)的、由雙折射液晶材料制成的波片，波片中的 長條型液晶分子的長軸在自然狀態(tài)下互相平行，將這個方向定義為可調(diào)節(jié)相位延遲器的慢 軸，與之垂直的軸定義為快軸，快軸和慢軸均平行于波片表面。在波片兩面加上交流的電壓， 液晶分子便向著電場的方向轉(zhuǎn)動，這樣雙折射材料的折射度將改變，從而使通過可調(diào)節(jié)相位 延遲器的光線平行于慢軸的電矢量延遲不同的相位，這個相位的延遲值隨電壓幅值呈平滑關(guān) 系，所以在一定范圍內(nèi)可以輸出任意的相位延遲，兩端施加不同的電壓可以獲取不同大小的 相位延遲。對于特定的波長X，標定可調(diào)節(jié)相位延遲器對應(yīng)V4延遲，V2延遲的特殊電壓值， 實際測量過程中對可調(diào)節(jié)相位延遲器波片兩面施加對應(yīng)不同延遲量的交流電壓，獲取不同延 遲量，延遲量即為圖4所示p。
參見圖3，圖3所示是大氣偏振模式圖像獲取系統(tǒng)的系統(tǒng)控制方式軟件流程圖，工作流程 如下
a、 系統(tǒng)上電啟動；
b、 由控制器控制機械運動模塊中基座201的旋轉(zhuǎn)和蝸桿202的舉升，使偏振成像模塊調(diào) 整到測量區(qū)域方位并測量。所述測量區(qū)域方位為偏振成像模塊在其軸線呈水平的位置上，以 及其軸線與水平呈45度夾角的位置上，分別以正北為O度，從O度開始旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過60度所得 到的朝向，包括天頂方位，共13個測量區(qū)域方位，在每一次測量中，同時記錄由亮度采集模 塊獲取的亮度信息。
c、 控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓值，使可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲分量為(U，由偏振 成像模塊對應(yīng)得到一組包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像/(0);
d、 控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓值，使可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲分量為^，由偏振 成像模塊對應(yīng)得到另一組包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像/(^{);
e、 控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓值，使可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲分量為乂，由偏振成像模塊對應(yīng)得到又一組包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像/(^);
f、 入射光的偏振狀態(tài)由四個斯托克斯參數(shù)I、 Q、 U、 V來完全描述，其中I為總光強度， Q為O度方向直線偏振光分量，U為45度方向直線偏振光分量，V為右旋圓偏振光分量，右旋 圓偏振光分量在測量中忽略；入射光的I、 Q、 U與檢測得到包含天空大氣偏振信息的偏振強 度圖像關(guān)系如下-
<formula>formula see original document page 9</formula>
尸=(22+"2)1/2〃 (2)
偏振橢圓方位角
9-丄arctan(f7/g)
2 (3)
完成對一個天空區(qū)域偏振模式的獲?。?br> g、 重復(fù)步驟b至f直至檢測出所有13塊待測天空區(qū)域；
h、 對得到13塊天空區(qū)域的偏振度、偏振橢圓方位角圖片，按照13塊天空區(qū)域所在實際 方位進行拼接，得到完整的大氣偏振模式信息。
9
權(quán)利要求
1、全自動大氣偏振模式圖像獲取系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)構(gòu)成包括偏振成像模塊、機械運動模塊、亮度采集模塊以及系統(tǒng)控制與處理中心；所述偏振成像模塊為筒狀體，在所述偏振成像模塊的筒體內(nèi)，沿射入光軸線同軸依次設(shè)置干涉濾光片(207)、可調(diào)節(jié)相位延遲器(206)、偏振片(205)、短焦鏡頭(204)及彩色數(shù)字CCD相機(203)；對所述可調(diào)節(jié)相位延遲器(206)的波片施加對應(yīng)于不同延遲量的交流電壓，獲取不同的延遲量；所述機械運動模塊具有可在水平面上360度旋轉(zhuǎn)的基座(201)，呈筒狀體的偏振成像模塊設(shè)置在基座上，所述偏振成像模塊是以其筒體底部在基座(201)上以銷軸鉸接；在所述基座(201)上設(shè)置可升降的蝸桿(202)，以所述蝸桿(202)對偏振成像模塊的筒體形成三角支撐；所述亮度采集模塊由光強檢測器構(gòu)成，所述光強檢測器固定設(shè)置在基座(201)上，由所述光強檢測器獲取的光強信息在系統(tǒng)控制與處理中心中得到記錄；所述系統(tǒng)控制與處理中心通過控制器分別控制所述機械運動模塊中基座(201)的旋轉(zhuǎn)角度和蝸桿(202)的舉升高度；并對由所述光強檢測器獲取的光強信息，由所述偏振成像模塊在CCD相機(203)中獲取的天空區(qū)域的偏振圖像在所述系統(tǒng)控制與處理中心中進行記錄和信息處理。
2、 一種權(quán)利要求l所述全自動大氣偏振模式圖像獲取系統(tǒng)的控制方式，其特征是按如下 過程進行a、 系統(tǒng)上電啟動；b、 由控制器控制機械運動模塊中基座(201)的旋轉(zhuǎn)和蝸桿(202)的舉升，使偏振成 像模塊調(diào)整到測量區(qū)域方位并測量；所述測量區(qū)域方位為偏振成像模塊在其軸線呈水平的位 置上，以及其軸線與水平呈45度夾角的位置上，分別以正北為O度，從O度開始旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過 60度所達到的朝向，包括天頂方位，共13個測量區(qū)域方位，在每一次測量中，同時記錄由亮 度采集模塊獲取的亮度信息；c、 控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓值，使可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲分量為(U，由偏振成像模塊對應(yīng)得到一組包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像/(0);d、 控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓值，使可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲分量為^，由偏振 成像模塊對應(yīng)得到另一組包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像/(《)；e、 控制可調(diào)節(jié)相位延遲器的端電壓值，使可調(diào)節(jié)相位延遲器的延遲分量為^，由偏振 成像模塊對應(yīng)得到又一組包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像/(^);f、 入射光的偏振狀態(tài)由四個斯托克斯參數(shù)I、 Q、 U、 V來完全描述，其中I為總光強度， Q為O度方向直線偏振光分量，U為45度方向直線偏振光分量，V為右旋圓偏振光分量，右旋 圓偏振光分量在測量中忽略；入射光的I、 Q、 U與檢測得到包含天空大氣偏振信息的偏振強度圖像關(guān)系如下<formula>formula see original document page 3</formula>令偏振度為戶、偏振橢圓方位角為e，則有<formula>formula see original document page 3</formula>偏振橢圓方位角<formula>formula see original document page 3</formula>完成對一個天空區(qū)域偏振模式的獲取；g、 重復(fù)步驟b至f直至檢測出所有13塊待測天空區(qū)域；h、 對得到13塊天空區(qū)域的偏振度、偏振橢圓方位角圖片，按照13塊天空區(qū)域所在實際 方位進行拼接，得到完整的大氣偏振模式信息。
全文摘要
全自動大氣偏振模式圖像獲取系統(tǒng)及系統(tǒng)控制方式，其特征是系統(tǒng)構(gòu)成包括偏振成像模塊、機械運動模塊、亮度采集模塊以及系統(tǒng)控制與處理中心；系統(tǒng)控制與處理中心通過控制器分別控制機械運動模塊中基座的旋轉(zhuǎn)角度和蝸桿的舉升高度，并對由光強檢測器獲取的光強信息、由偏振成像模塊在CCD相機中獲取的天空區(qū)域的偏振圖像進行記錄和信息處理。本發(fā)明簡單易行、測量結(jié)果準確易校準，測量過程無需機械旋轉(zhuǎn)偏振片。
文檔編號G01J1/42GK101539458SQ20091011667
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者吳良海, 帥 崔, 潘登凱, 范之國, 雋 高 申請人:合肥工業(yè)大學