馬 強， 趙開春， 尤 政

(清華大學 精密儀器系，北京100084)

0 引 言

天空偏振光分布模式和生物偏振光導航機理的研究為仿生偏振光導航技術奠定了基礎。沙蟻等昆蟲的復眼具有特殊結構和神經[1]，能夠敏感關于太陽子午線對稱的天空偏振光分布模式[2,3]，可精確地識別體軸相對太陽子午線的航向角。仿生偏振光導航傳感器模仿昆蟲復眼偏振敏感結構，利用天空偏振光自主導航定向,它不需要太陽可視，可適應不同天氣，彌補了其他導航傳感系統(tǒng)的性能局限。國內外研究者已經研制出偏振光導航傳感器樣機，并在具體工程應用上開展試驗研究。2000年，Lambrinos D等人研制基于光電二極管檢偏原理的傳感器樣機，并在移動機器人上驗證了仿生偏振光導航可行性[4]，此后國內研究者研制了類似的傳感器樣機，如,合肥工業(yè)大學的高雋等研制出四通道偏振檢測傳感器[5]，大連理工大學的褚金奎等研制出六通道偏振光傳感器[6]。2010年，Chahl J等人在NASA和DARPA項目支持下進行無人機飛行試驗，也采用天空偏振光羅盤導航[7]。然而此類樣機至多有3組敏感器，空間分辨率較低，較依賴局部天空偏振光分布模式，使得輸出結果易受天氣變化干擾，經過誤差補償后輸出精度最優(yōu)可達±0.2°。

偏振光柵陣列和圖像傳感器組成偏振感光器陣列[8]，以多通道冗余方式處理全天域偏振信息，增大了空間分辨率，提高了系統(tǒng)的定向精度，更加類似昆蟲復眼偏振敏感結構。偏振感光器陣列和圖像處理硬件平臺的結合是偏振光導航傳感器的新思路和新結構，可稱之偏振光柵導航傳感器。研制集成度更高、精度更高的偏振光柵導航傳感器具有迫切需求，可將仿生偏振光導航技術推向更高的層次。

本文闡述了偏振光柵導航傳感器的工作原理，從工程實現角度設計其電子系統(tǒng)，討論了軟硬件的協(xié)同設計和實現方法，最后驗證了系統(tǒng)功能和計算精度。

1 工作原理

瑞利散射理論模型如圖1(a)所示，觀察點P的光束偏振方向垂直于P點與太陽S、觀察點O構成的平面。當散射角∠POS=±90°時，偏振度達到最大值。實際測量結果顯示,晴空時全天域偏振光分布模式與上述理論模型非常吻合[2,3]，此模式關于太陽子午線對稱，且此對稱性不隨太陽位置變化而改變，具有相對穩(wěn)定的特點。昆蟲復眼中偏振敏感結構和偏振對立神經元對0°,60°,130° 3個特定角度更加敏感[9]，據此感知體軸相對太陽子午線的夾角來確定方向，此為偏振光導航的仿生基礎。

偏振感光器陣列由偏振像元組成，如圖1(b)。偏振像元包含4個偏振像素，其中,3個有效偏振像素的偏振方向分別為0°,60°,120°，這個結構模仿昆蟲偏振神經元對特定方向角敏感。

圖1 仿生偏振光導航原理

光波在介質中傳播并與介質相互作用，表征其偏振狀態(tài)的斯托克斯(Stokes)矢量將發(fā)生變化。Stokes矢量包含4個量綱相同的參量I,Q,U和V

S=[I,Q,U,V]T.

(1)

其中,I為偏振光強度。V為偏振分量,一般很小，在儀器的可檢范圍內可以忽略，所以，只求取前3個參量。

米勒(Mueller)矩陣表示器件的特性與取向。直線偏振器透光軸與參考軸夾角為θ，則其Mueller矩陣Mθ為[10]

(2)

出射光Stokes矢量Sin與入射光Stokes矢量Sout的關系可用矩陣乘積表示

Sout=[I(θ),Q(θ),U(θ)]=Mθ·Sin.

(3)

化簡整理得到出射光的光強I(θ)為θ和入射光偏振態(tài)I,Q,U的函數[11]

(4)

將偏振方向0°,60°,120°分別代入式(4)得到聯(lián)立方程組式(5)，由此入射光的偏振態(tài)Stokes矢量的參量I,Q,U解得

(5)

Stokes矢量表示偏振度P可以用式(6)計算，而偏振方位角φ代入式(5)的I,Q和U計算如式(7)所示

(6)

(7)

電子系統(tǒng)即是按照式(7)用0°,60°和120° 3個角度的光強計算出偏振方位角圖像，利用圖像對稱性檢測算法從偏振方位角圖像中提取出太陽子午線相對本體參考方向的夾角，即相對航向角。

2 電子系統(tǒng)設計

偏振光柵導航傳感器包含了兩大部分：偏振光檢測成像和本文研究的電路處理部分。偏振光檢測成像部分作為前級，含有光學鏡頭、藍紫光濾光片、微型偏振陣列和圖像傳感器，它們將作為一個類似數字相機的整體部件，對后級提供圖像和時鐘輸出，以及有關控制命令輸入的接口。

電子系統(tǒng)的功能結構如圖2所示，FPGA芯片上構建SOPC和其他硬件電路模塊，形成偏振光柵導航傳感器電子系統(tǒng)的功能主體。配置芯片EPCS FLASH上存儲FPGA配置文件和NIOS程序映像，使系統(tǒng)上電時自動配置運行程序。信號轉換模塊和RS—232電平轉換器實現前級和后級的通信。

圖2 電子系統(tǒng)功能結構框圖

前級檢偏成像部分提供80 MHz的像素時鐘，與FPGA內部PLL時鐘網絡相連，作為全系統(tǒng)基本時鐘。

信號觸發(fā)模塊使能曝光脈沖，作用于前級檢偏成像部分，輸出的圖像經過采集后重組偏振像元，然后計算偏振方位角圖像，提取對稱特征得到相對航向角，經過數據交換和UART1模塊發(fā)送至上位機。UART1和UART2轉發(fā)上位機發(fā)出的設置檢偏成像部分參數。SOPC內，各個模塊之間通過Avalon總線連接。主處理器Nios II CPU、程序和數據存儲器On-Chip SRAM0與程序配置模塊EPCS Controller構成了最小系統(tǒng)。

3 電子系統(tǒng)實現

3.1 信號轉換模塊

信號轉換模塊采用Cameralink標準協(xié)議將接至SDR—26接插件的11對低壓差分信號(low voltage differential signal,LVDS)，通過DS90CR288A,DS90LV047A和DS90LV019 3個芯片與LVTTL,LVCMOS信號相互轉換[11]，實現了圖像數據、像素時鐘、相機控制和串行通信的傳輸。轉換后的信號包括幀有效FVAL、行有效LVAL、數據有效DVAL；外觸發(fā)曝光信號EXSYNC；雙工異步串行信號SerTC和SerTFG。LVDS差分線對的終端接入100 Ω匹配電阻器，減少終端信號反射。信號轉換模塊設計如圖3所示。

圖3 Cameralink信號轉換模塊

3.2 FPGA硬件模塊

FPGA中實現的硬件模塊包括曝光脈沖、圖像采集、像元重組、偏振角計算和對稱軸提取。

20 Hz的外觸發(fā)曝光信號EXSYNC經過使能，其下降沿觸發(fā)檢偏成像部分內部產生同頻的Internally-generated EXSYNC信號，該信號上升沿相對EXSYNC信號下降沿延遲100 μs，其高電平時長決定了曝光時間，可由上位機指令設置，并且從該信號的下降沿開始輸出圖像，如圖4所示。

圖4 圖像曝光與采集時序圖

幀有效FVAL和行有效LVAL都為高電平時，每個時鐘周期(12.5 ns)輸出2個像素數據。根據測算LVAL低電平的行消隱期有121個CLK周期，故一幀圖像的傳輸時間有

[1 024×(512+121)-121]×12.5≈8.1 ms.

(8)

圖像傳輸為后續(xù)計算模塊保留了時間裕量。有效像素重組過程如圖5所示，在片上內存構建緩沖池(圖2中on-chip SRAM1)，將2行圖像定義為奇數列和偶數列。當獲取奇數列時縱向暫存在緩沖池的左半邊；當獲取偶數列時縱向暫存在緩沖池的右半邊，而此時每個周期寫入新數據的同時，橫向讀取3個偏振像素即為所需的0°,60°,120°有效偏振像素。

圖5 偏振像元的有效像素重組

利用3個有效偏振像素，即可按照式(7)以流水線方式計算偏振方位角，但須先判斷反正切內分式的分母是否為0，如果為0則直接得到π/4的結果。式(7)涉及反正切的計算，在FPGA上適宜采用加減和移位定點操作。為保證偏振方位角計算精度，模塊內核心計算數據保留32位，而輸出結果保留16位即可得優(yōu)于0.001°精度，為后續(xù)對稱軸提取的算法保留了提升精度的空間，如圖6所示。

圖6 偏振角計算和對稱軸提取流程圖

對稱軸提取模塊分揀前級求得的偏振方位角數據流，保存載有重要信息的數據到緩存區(qū)(圖2中on-chip SRAM2)，先后進行初次級對稱性分析，從而求得相對航向角θ。對稱性分析算法采用DSP Builder仿真，利用Signal Compiler編譯適配到硬件上驗證。此方法簡化了算法硬件化流程，并為算法驗證預留了空間和接口，提供高效的算法研究平臺。硬件并行計算相比軟件順序執(zhí)行可以顯著縮短圖像處理時間，提高實時性。

3.3 SOPC軟核系統(tǒng)

SoPC Builder是系統(tǒng)定義和組件定制的強大工具，可輕松構建如圖2中虛線框內的SOPC。Nios II EDS針對Nios II處理器進行軟件開發(fā)、編譯和調試等，程序運行流程如圖7所示。

圖7 程序運行流程框圖

主程序開始后，先后初始化數據和指令中斷，然后使能曝光脈沖，最后進入循環(huán)等待中斷狀態(tài)。

數據中斷子程序中，讀取相對航向角到緩存變量，通過UART1模塊將數據發(fā)送到上位機后返回循環(huán)等待中斷狀態(tài)。

指令中斷優(yōu)先級高于數據中斷，依次讀取指令字符到緩存變量。當指令結束時將緩存指令通過UART2模塊發(fā)送到檢偏成像部分后返回循環(huán)等待中斷狀態(tài)。指令中斷子程序中先后禁止和使能曝光脈沖，保證了此過程中無數據中斷發(fā)出。

4 系統(tǒng)驗證

為了驗證偏振光柵傳感器電子系統(tǒng)，設計偏振檢測成像部分的模擬器與其對接。用天空偏振探測裝置[12]獲取不同偏振方向、相同分辨率的真實偏振圖像，按照偏振像元位序空間采樣，提取用于系統(tǒng)驗證的圖像，然后下載到模擬器的存儲器中，采用與圖4完全相同的時序輸出，這樣便可以驗證電子系統(tǒng)的采集和通信功能。通過DSP Builder例化一個對稱性分析算法到相應模塊中，用于測試電子系統(tǒng)的實時性和計算精確度。

圖8所示為系統(tǒng)驗證邏輯連接框圖，在上位機上完成所需的程序數據配置和計算結果顯示。

圖8 系統(tǒng)驗證框圖

在清華大學中央主樓北側不同時刻獲取4幅圖像用于系統(tǒng)驗證。Matlab采用雙精度格式運行相同算法程序與電子系統(tǒng)計算結果對比。表1所示兩者的計算結果差值的絕對值都小于0.01°，說明電子系統(tǒng)的計算精度優(yōu)于0.01°。此外，模擬器以20 Hz幀率重復輸出圖像，電子系統(tǒng)可順利完成采集、計算和通信功能。圖9為表1中第2個合成偏振圖像與偏振角度圖，其中白線標識出對稱軸。

表1 驗證測試結果

圖9 圖像合成與處理結果

5 結 論

偏振光柵導航傳感器使用偏振感光器陣列而具有更高的定向精度。本文設計適應圖像信息處理的電子系統(tǒng)，它能以20 Hz幀頻率采集、處理偏振圖像，其定點計算精確度

優(yōu)于±0.01°。電子系統(tǒng)為導航算法研究提供驗證平臺，同時也作為傳感器樣機的重要部分。

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