李 皓，李 沅，侯 琪

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

導(dǎo)航是載體運(yùn)用光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)等各種方法確定自身相對位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)由起點(diǎn)準(zhǔn)確、快速、安全地沿著預(yù)定軌跡到達(dá)目的地的方法。而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如通信、航空等，因此對導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求[1]。常用的導(dǎo)航系統(tǒng)如衛(wèi)星導(dǎo)航容易受到人為干擾，慣性導(dǎo)航有著誤差隨時(shí)間累計(jì)的缺點(diǎn)，根據(jù)大氣偏振模式所提供的準(zhǔn)確信息以及抗干擾能力請。誤差不隨時(shí)間累計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，天空偏振光導(dǎo)航成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。仿生偏振光導(dǎo)航是近年來發(fā)展起來的一種自主導(dǎo)航方法，其實(shí)質(zhì)就是通過觀測天空大氣偏振模式從而獲取到相應(yīng)的偏振信息來完成導(dǎo)航。因此，天空偏振模式的研究對于偏振光導(dǎo)航至關(guān)重要[2-4]。現(xiàn)有的偏振光導(dǎo)航技術(shù)主要針對晴朗無云天氣，并且獲得了較為準(zhǔn)確的定向精度[5-6]。然而在陰云等惡劣天氣條件下，云層對大氣偏振模式產(chǎn)生較大的干擾，無法獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。因此如何在云層天氣條件下獲取準(zhǔn)確的偏振信息，提高偏振光導(dǎo)航在多種天氣條件下應(yīng)用的可靠性成為一個(gè)重要的研究方向[7-9]。

2018年，桂林電子科技大學(xué)的劉小燕使用CE318全自動(dòng)天空輻射計(jì)在桂林地區(qū)進(jìn)行實(shí)際觀測，對不同天氣下紅、綠、藍(lán)3種波段的偏振圖像進(jìn)行采集，試驗(yàn)結(jié)果表明云層會降低天空偏振度，但并沒有對不同波段的偏振圖像進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治鯷10]；2019年，法國馬賽大學(xué)Dupeyroux采用紫外光電二極管、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏振片設(shè)計(jì)了一個(gè)針對紫外偏振光的單通道掃描式偏振光探測裝置，并將其安裝在仿沙蟻六足機(jī)器人上進(jìn)行試驗(yàn)[11]；2021年大連理工大學(xué)歷祥對陰云天氣條件下天空偏振模式做了研究，對不同波段的偏振模式進(jìn)行實(shí)際觀測，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了陰云天氣下紫外波段天空偏振模式優(yōu)于可見光波段[12]，但沒有得到準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息對比結(jié)果。

針對上述問題，為了擴(kuò)展偏振光探測器的環(huán)境適應(yīng)性，降低云層對偏振信息的干擾，本文首先采用太陽光度計(jì)進(jìn)行實(shí)際觀測，通過數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證近紫外波段對陰云天氣偏振光導(dǎo)航存在優(yōu)勢，然后在陰云天氣下搭建偏振信息導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)，對紫外波段的偏振信息進(jìn)行探測，在不同的天氣條件下進(jìn)行室外試驗(yàn)，獲取到準(zhǔn)確的航向角信息并通過與可見光波段數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了紫外波段在惡劣天氣條件下采集偏振信息的優(yōu)勢。

1 導(dǎo)航機(jī)理分析

1.1 成像式偏振光傳感器測試原理

在大氣偏振模式的研究中，斯托克斯矢量能夠很好的描述入射光與出射光的關(guān)系。如式(1)所示，I為總強(qiáng)度，Q為水平方向的直線偏振分量；U為45°方向的偏振光分量，由于在自然環(huán)境中，偏振光的圓偏振分量很小，可以忽略不計(jì)。因此通過3個(gè)偏振方向的光強(qiáng)值就可以計(jì)算出入射光的斯托克斯矢量[13]。

(1)

要獲取天空光的偏振特性，需要選取3個(gè)不同的φ帶入式(1)中建立方程組求解I、Q、U。本文通過旋轉(zhuǎn)偏振片使φ分別等于0°、45°和90°，獲取結(jié)果如式(2)所示。

(2)

測試天空光的偏振度Dop和偏振角Aop分別表示為：

(3)

偏振方位角AOE由天空導(dǎo)航坐標(biāo)系中某觀測點(diǎn)的偏振方向矢量和太陽子午線切線方向的夾角構(gòu)成，計(jì)算公式如式(4)所示，其中(i，j)為圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)；h，w分別為圖像的高和寬[14]。

AOE=

(4)

由式(3)和式(4)計(jì)算得到的偏振度和偏振方位角圖像實(shí)際上為一個(gè)列為圖像寬，行為圖像高的矩陣，偏振度矩陣在太陽子午線和反太陽子午線方向上能觀察到兩個(gè)偏振度最低的點(diǎn)，即為中性點(diǎn)，偏振角矩陣取值[-90°,90°]，沿太陽子午線呈對稱分布，這一分布模式即為大氣偏振模式，包含全天空的偏振信息。相比于偏振度分布模式，偏振方位角分布模式受天氣的影響較小，始終關(guān)于太陽子午線對稱，對外界大氣變化具有更好的穩(wěn)定性。因此，偏振方位角分布模式穩(wěn)定性更好，更加適合作為偏振光導(dǎo)航的導(dǎo)航信息源，利用太陽子午線方位角信息獲取航向角更為準(zhǔn)確。通過直線檢測方法確定太陽子午線的位置后將擬合的直線與參考坐標(biāo)系正北方向的夾角作為太陽子午線方位角，實(shí)際太陽方位角可由定位授時(shí)設(shè)備提供的位置時(shí)間信息配合日梭萬年歷推導(dǎo)的太陽方位角公式進(jìn)行解算，進(jìn)而求得載體航向角。載體航向角βh和太陽子午線的關(guān)系如圖1所示。

圖1 航向角與太陽子午線和正北方向的關(guān)系

實(shí)際太陽方位角βs可以通過以下公式解算，解算時(shí)必須通過太陽時(shí)角h進(jìn)行計(jì)算；

(5)

其中:ω表示地理緯度，δ表示太陽赤緯，θs表示太陽高度角，可用如下公式解算：

θs=arcsin(sinωsinδ+cosωcosδcost)

(6)

t為太陽時(shí)角，表示天子午圈與天體的赤緯圈在北極所稱的球面角，或者是在天赤道上所夾的弧度。在地球上進(jìn)行觀測時(shí)，同一時(shí)刻，對同一精度、不同緯度的人來說，太陽對應(yīng)的時(shí)角時(shí)相同的。由于地球自轉(zhuǎn)，太陽時(shí)角每小時(shí)增加15°，可直接用時(shí)間取代太陽時(shí)角，用0～24時(shí)代替0°～360°。太陽時(shí)角t于北京時(shí)間ts的關(guān)系如式(7)所示，其中κ為當(dāng)?shù)氐乩斫?jīng)度。

(7)

太陽的位置可能會位于如圖1示的第一象限，也可能會位于與上圖相反的方向即第三象限，利用太陽子午線解算方位角信息時(shí)無法準(zhǔn)確的找到太陽的位置，這會導(dǎo)致在航向角的計(jì)算過程中會出現(xiàn)兩種結(jié)果，這種現(xiàn)象被稱為太陽子午線的二義性問題。為了得到準(zhǔn)確的航向角數(shù)據(jù)，需要在獲取太陽子午線方位角信息的同時(shí)準(zhǔn)確地得到當(dāng)時(shí)太陽的具體位置。由偏振度圖像的分布規(guī)律可知，偏振度關(guān)于最大偏振度線對稱分布，再結(jié)合其以中性點(diǎn)為中心呈環(huán)狀分布以及太陽附近的偏振度為0的特點(diǎn)，可以得到以最大偏振度線為對稱軸的偏振度兩側(cè)分布中，有太陽一側(cè)的偏振度總和要小于無太陽的一側(cè)，由此可以得到太陽的位置信息，從而消除太陽子午線二義性對航向角計(jì)算結(jié)果的影響[15]。

1.2 太陽子午線提取方法

偏振光方位角分布模式以太陽子午線為軸呈對稱分布，在理想大氣條件下，偏振光分布模式中太陽子午線是一條直線，但是在實(shí)際試驗(yàn)過程中，在大氣中的大顆粒物以及云層的干擾下，此時(shí)的天氣條件并不完全符合Rayleigh散射理論，還會伴隨有Mie散射的發(fā)生，這會使得太陽子午線的位置發(fā)生偏移、彎曲，為了能在惡劣天氣條件下提取到準(zhǔn)確的太陽子午線信息，本文選用基于Hough變換的太陽子午線提取方法，并使用成熟的邊緣檢測圖像處理技術(shù)提取太陽子午線區(qū)域，結(jié)合對稱性分布關(guān)系解算出準(zhǔn)確的太陽子午線方位角。

Hough變換是一種從圖像中提取直線的常用方法，檢測直線在圖像中穿過最多的相關(guān)點(diǎn)，受噪聲的影響比較小。它采用表決方式來估計(jì)直線的特征，找出圖像完成邊緣檢測后的邊緣點(diǎn)及其所有可能經(jīng)過該點(diǎn)的直線，將這些直線由直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)系方程來表示，這些參數(shù)方程在Hough空間內(nèi)會交于一點(diǎn)成為Hough峰值點(diǎn)，提取該點(diǎn)即可得到邊緣點(diǎn)所成直線的表達(dá)式。不同的邊緣檢測算法和直線擬合算法會受到圖像像素大小、噪點(diǎn)和邊緣灰度值突變程度等的影響，從而干擾大氣偏振模式圖中太陽方位角的解算結(jié)果。為了驗(yàn)證基于Hough變換的太陽子午線提取方法的可行性，通過仿真實(shí)驗(yàn)與最小二乘法擬合太陽子午線方位角的檢測方法進(jìn)行對比，觀察在理想情況下使用檢測算法解算太陽子午線偏轉(zhuǎn)方向的準(zhǔn)確程度。為了得到較好的邊緣檢測效果，選用在太陽子午線邊緣檢測方面具有很好性能的Canny算子，該算子通過高斯平滑降噪、雙閾值算法檢測以及連接邊緣等操作達(dá)到最優(yōu)的邊緣檢測效果，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 Canny 算子下 Hough 變換與最小二乘法擬合結(jié)果對比

從圖2中可以看出，Canny邊緣檢測算子下使用最小二乘法擬合太陽子午線出現(xiàn)了比較大的偏差。觀察結(jié)果圖形可以看出，該邊緣檢測算法在圖像中心出現(xiàn)噪點(diǎn)，使得特征點(diǎn)分布發(fā)散，由于最小二乘法會將檢測到的所有特征點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，噪點(diǎn)的出現(xiàn)會嚴(yán)重干擾擬合結(jié)果，降低最小二乘法擬合太陽子午線的精度，甚至影響航向角的解算結(jié)果。而Hough變換是檢測直線在圖像中穿過最多的相關(guān)點(diǎn)，噪聲對Hough變換的影響較小，所以提取的結(jié)果更為準(zhǔn)確，更適合作為太陽子午線的提取方法。

1.3 陰云天氣適應(yīng)性設(shè)計(jì)

云是最常見的天氣現(xiàn)象，尤其在海拔較高的黃土高原，揚(yáng)塵、陰云以及雨雪天氣時(shí)常會有，大顆粒的揚(yáng)塵、云層中的水滴等會對入射太陽光產(chǎn)生散射作用，會影響太陽光在大氣中的傳輸路徑，進(jìn)而影響實(shí)際采集到的的天空偏振圖像，因此天氣條件對天空偏振模式探測結(jié)果的影響也不可忽視。在多云天氣下使用由單反相機(jī)搭配魚眼鏡頭組成的偏振成像探測裝置對可見光波段的天空圖像進(jìn)行觀測，所得灰度圖和偏振角圖像如圖3所示[16-17]。

圖3 云層對天空偏振角的影響圖

由圖3可知在云層的干擾下，偏振角圖像出現(xiàn)扭曲、彎折和噪點(diǎn)等情況，導(dǎo)致太陽子午線識別出現(xiàn)誤差甚至錯(cuò)誤，干擾方位角解算結(jié)果，給偏振信息觀測造成了不便，使其無法為導(dǎo)航提供較為清晰的方向參考依據(jù)[18]。

為了在不同天氣條件下獲取精確的偏振信息，就必須降低甚至消除云層對偏振模式的干擾。根據(jù)昆蟲對偏振敏感波段的研究，本文使用全自動(dòng)太陽光度計(jì)對大氣中不同光波段的輻射量和偏振模式進(jìn)行觀測。太陽光度計(jì)安裝有中心波長為340 nm、380 nm、440 nm、500 nm、675 nm、870 nm、 936 nm、1 020 nm和1 640 nm半波寬度為10 nm的9個(gè)窄帶濾光片，可同時(shí)觀測這九個(gè)波段區(qū)間的太陽輻射數(shù)據(jù)[19-20]。如圖4所示。

圖4 全自動(dòng)太陽光度計(jì)

我們在可見光和近紫外波段通道前加裝簡易的偏振片旋轉(zhuǎn)裝置，在晴朗天氣、陰天薄云、陰天揚(yáng)塵、陰天厚云天氣同時(shí)觀測多個(gè)波段區(qū)間的太陽輻射數(shù)據(jù)并求解偏振度。觀測結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同波段下的天空偏振度結(jié)果

由圖5可知，晴朗天氣下可見光波段偏振度要優(yōu)于近紫外光波段偏振度；而在云層的干擾下，近紫外波段偏振度表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，隨著天氣條件的惡化，近紫外光波段偏振度衰減程度較小，驗(yàn)證了近紫外波段對陰云天氣偏振光導(dǎo)航存在優(yōu)勢。選擇在有云層時(shí)，使用350～360 nm的近紫外帶通濾光片使感光器件只接受這一特定波段的入射光，提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性[21-22]。

圖6 偏振信息導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 偏振信息導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)介紹

2.1 偏振信息導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)總體方案

由于室外試驗(yàn)需要較長的時(shí)間并且拍攝環(huán)境受天氣影響較大，因此對傳感器裝置在集成度、穩(wěn)定性和便攜性方面提出了較高的要求。本文選用小型工業(yè)相機(jī)和光電二極管來同時(shí)采集可見光波段和近紫外波段的大氣偏振模式，設(shè)計(jì)了一套偏振信息導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Xilinx公司的ZYNQ UltraScale+TMMPSoC XCZU4EV為主控芯片。

ZYNQ UltraScale+TMMPSoC系列芯片是Xilinx公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的第二代平臺，以ARM處理器為核心將FPGA和視頻編碼器等部分集成起來，并且還包含了內(nèi)部存儲器、外部存儲器接口(DDR)和大量外設(shè)(IOU)，外設(shè)主要包含USB、以太網(wǎng)、IIC、UART等。既可以安裝Linux操作系統(tǒng)，充分運(yùn)用該操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)完善、例程豐富和開發(fā)簡單的優(yōu)勢，又能利用FPGA的多種高速IO高速采集傳感器數(shù)字信號進(jìn)行處理運(yùn)算，各部分在芯片內(nèi)部通過AXI高速總線進(jìn)行連接。ZYNQ芯片的部分性能參數(shù)如表1所示。

表1 芯片部分性能參數(shù)

傳感器系統(tǒng)主要由光學(xué)檢測模塊和采集存儲模塊等部分組成，如圖6所示為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。天空中的部分偏振光經(jīng)過濾光片和偏振片后由紫外增強(qiáng)型光電二極管和COMS圖像傳感器接收，轉(zhuǎn)換為可閱讀、可操作的數(shù)字信號，最后可選擇在機(jī)內(nèi)存儲解算或由網(wǎng)口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行存儲解算。

為了提高系統(tǒng)適用性的同時(shí)也能簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，選用由ALINX(上海芯驛電子)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ZYNQ核心板，采用14層PCB，PS端和PL端分別集成4 GB和1 GB DDR4 內(nèi)存，PS 端板載8 GB EMMC和 QSIP FLASH 供存放啟動(dòng)文件和系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)光學(xué)探測模塊

偏振信息光學(xué)探測部分主要由一個(gè)SUA133GM 單色CMOS圖像傳感器構(gòu)成的光學(xué)相機(jī)，兩個(gè)紫外增強(qiáng)型光電二極管組成。根據(jù)單色COMS圖像傳感器的光譜響應(yīng)曲線可以得到，相較于可見光波段，350 nm紫外波段的量子效率較低，而紫外增強(qiáng)型光電二極管可以很好的彌補(bǔ)這一不足，能更好的獲取紫外波段的偏振信息。

相機(jī)的感光CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)上覆蓋有可旋轉(zhuǎn)的線性偏振膜，每旋轉(zhuǎn)三次為一組分別捕捉大氣中的部分偏振光經(jīng)過3個(gè)方向的線性偏振膜后形成的完全偏振光，光信號經(jīng)由SUA133GM 內(nèi)部的10-bit ADC和外置的圖像處理器轉(zhuǎn)換成USB3.0協(xié)議的差分信號，通過 USB3.0協(xié)議芯片接入ZYNQ對應(yīng)的 Bank65相關(guān)引腳，采集圖像通過插值方式提高像素。原理流程如圖7所示。

圖7 圖像傳感器模組原理圖

載體在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，傳感器晃動(dòng)幅度較大，CMOS 圖像采集時(shí)為逐行采樣或隔行采樣，盡管CMOS采用全局快門技術(shù)也避免不了高速瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)一幀畫面出現(xiàn)傾斜變形，高幀率相機(jī)成本較高，同時(shí)也面臨高功耗和高發(fā)熱壓力，因此選用紫外增強(qiáng)型光電二極管來彌補(bǔ)傳感器的這一弱點(diǎn)。該二極管具有體積小、探測靈敏度高的特點(diǎn)，加入在5 V偏置電壓時(shí)響應(yīng)時(shí)間為8 ns，其可探測光波段覆蓋了近紫外光、可見光和近紅外光，滿足實(shí)驗(yàn)需求。光電二極管在加入窄帶濾光片后進(jìn)光量會大幅降低，導(dǎo)致感光面接收不到足量的光信號，導(dǎo)致響應(yīng)電流變?nèi)?，因此可以在上方嵌入一個(gè)平凸鏡使得入射光匯聚在感光面上，從而增強(qiáng)光電二極管在弱光下的探測能力。實(shí)現(xiàn)帶有旋轉(zhuǎn)偏振片的兩個(gè)高靈敏度紫外增強(qiáng)光電探測器對變化的光信號進(jìn)行探測和處理的過程，保證了對天空偏振信息的快速掃描檢測。

圖8 PS端M.2硬盤原理圖

在光學(xué)鏡頭前加裝可切換的窄帶濾光片，在其中一個(gè)紫外增強(qiáng)型光電二極管上方永久嵌入一個(gè)同樣的窄帶紫外濾光片,用來增強(qiáng)紫外波段的傳輸效率。該濾光片中心波長CWL為355 nm，半峰全寬FWHM為10±2 nm。光電二極管在線性偏振片旋轉(zhuǎn)掃描自然光時(shí)，會輸出一個(gè)穩(wěn)定的正弦電流信號，由于自然光為部分偏振光，光電二極管產(chǎn)生的正弦電流信號會有一個(gè)穩(wěn)定的直流分量。在解算偏振信息時(shí)，我們僅關(guān)注不同偏振片角度下信號的變化量。系統(tǒng)的光學(xué)探測模塊實(shí)現(xiàn)了可見光、近紫外光的交替探測，為陰云天氣下兩種波段的偏振信息的比較分析提高了理論依據(jù)和原理介紹。

2.3 系統(tǒng)采集存儲模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 存儲模塊硬件電路設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)采集時(shí)間長、采樣率高，且設(shè)備處于初試階段，希望儲存完整的原始照片和角度等數(shù)據(jù)供后期解算分析，這對系統(tǒng)的存儲部分提出了較高要求。本文選擇將啟動(dòng)文件放置在QSPI FLASH中，把系統(tǒng)文件放置在EMMC中。本文選用型號為MTFC8GAKAJCN-4M的EMMC芯片，支持標(biāo)準(zhǔn)的HS-MMC接口，與ZYNQ芯片的連接數(shù)據(jù)位寬為8 bit。EMMC的實(shí)際讀寫速度為30 MB/S，在XCZU4EV的PS部分中選擇一對GTR來存放M.2硬盤，并選用獨(dú)立差分時(shí)鐘芯片為M.2硬盤的主控芯片提供差分時(shí)鐘信號，設(shè)計(jì)電路如圖8所示。采用PCIE2.0編碼，使得信道帶寬的20%被占用，并且由于PCB差分走線的電氣性能和硬盤主控讀寫糾錯(cuò)算法的損耗，因此在Linux系統(tǒng)中使用dd命令測試設(shè)計(jì)M.2外置硬盤的實(shí)際讀寫速度為300～350 MB/s。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集裝置在遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，這就需要一個(gè)穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接方式。TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議)指能夠在多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)膮f(xié)議簇，里面包括很多協(xié)議，UDP就是其中之一，被廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接與控制中，具有通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。TCP是面向連接的協(xié)議，一次 TCP連接需要進(jìn)行三次握手過程。UDP是一個(gè)非連接的協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送端和終端不需要建立連接，相較于 TCP協(xié)議數(shù)據(jù)開銷較小，但丟包率高，常用與傳輸網(wǎng)絡(luò)攝像頭等數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)類型。

從PS端 Bank502引出引腳驅(qū)動(dòng)RTL8211FD以太網(wǎng)芯片，為系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制和部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸功能。通過連接路由器或直連計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程訪問 Linux 系統(tǒng)共享文件夾，下載采集的偏振圖像、不同偏振方向光電二極管的電壓和解算的航向角等數(shù)據(jù)，該芯片可與主從設(shè)備自主協(xié)商提供自適應(yīng)1 000 BASE-T、100 BASE-TX和10 BASE-T以太網(wǎng)速率，兼容性較好。PL端直接引出XCZU4EV的PL部分的四對GTH收發(fā)器，將其中兩對引出作為萬兆SPX+光口，用于發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)量較大的偏振圖像。

2.3.3 USB傳輸模塊硬件電路設(shè)計(jì)

USB(通用串口總線)是一種外部總線標(biāo)準(zhǔn)，它建立了計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的鏈接，可以很好的作為外部數(shù)據(jù)存儲接口和人機(jī)交互接口。本文選用MICROCHIP(美國微芯)公司生產(chǎn)的USB3320提供USB2.0協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)，設(shè)計(jì)電路如圖9所示。通過外接MLC硬盤測試USB3.0接口的讀寫速度，讀出40 G大小，寫入4 G大小保證讀寫不出SLC緩存，由于硬盤主控等的損耗，實(shí)際讀寫速度要比測試值大。

圖9 USB3320硬件電路設(shè)計(jì)

3 不同天氣下近紫外波段優(yōu)勢實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 大風(fēng)薄云天氣實(shí)驗(yàn)分析

在如圖10所示的大風(fēng)薄云天氣，選擇在中北大學(xué)科學(xué)樓B座樓頂進(jìn)行試驗(yàn)，觀測時(shí)間為2021年10月21日11：00～13：20，當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度為 112.444 83° E，38.017 19° N。通過設(shè)計(jì)的導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可見光波段和近紫外波段天空偏振信息的交替采集。在接收近紫外波段半波寬度為10 nm的近紫外光時(shí)，由于濾光片的減光性，進(jìn)光量會劇烈下降，我們將快門速度從1/1 000 s下降到15 s，使得采集得 UV 波段試驗(yàn)圖像較可見光波段試驗(yàn)圖像的曝光程度相同且維持畫面噪點(diǎn)水平不變。由圖11可以看出，UV波段采集大風(fēng)薄云天氣依然可以解算出較為清晰的偏振角圖像，太陽子午線的位置信息也比較容易獲得，相較于可見光波段受云層干擾較大，圖像以噪點(diǎn)為主，幾乎難以分辨的問題，紫外波段圖像的數(shù)據(jù)閱讀性優(yōu)勢明顯。

圖10 大風(fēng)薄云天氣情況

圖11 薄云天氣紫外波段的偏振角圖像

用太陽方位角補(bǔ)償解算的子午線角度得到航向角，取每時(shí)刻前后100個(gè)航向角數(shù)據(jù)的平均值作為該時(shí)刻的航向角數(shù)據(jù)。由于在實(shí)驗(yàn)過程中，采集裝置一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，可將補(bǔ)償結(jié)果作為當(dāng)前天氣狀態(tài)下系統(tǒng)室外采集試驗(yàn)的誤差參考。薄云天氣的航向角結(jié)果如圖12所示，相較于可見光波段，UV波段解算的航向角誤差降低了60.68%。因此UV波段的窄帶濾光片可較大幅度提升偏振光導(dǎo)航的數(shù)據(jù)精度，擴(kuò)展偏振光探測器的環(huán)境適應(yīng)性。

圖12 大風(fēng)薄云天氣下的航向角解算結(jié)果

3.2 積雨云天氣實(shí)驗(yàn)分析

選取2022年4月20日16：00，積雨云天氣采集偏振圖像，研究紫外成像裝置在云層較厚天氣下偏振模式的獲取情況，地點(diǎn)同樣在中北大學(xué)科學(xué)樓B座樓頂,如圖13所示為部分時(shí)間段測得的可見光波段和紫外波段的偏振圖像。通過對比可以看出在惡劣天氣下使用紫外濾光片可以提升偏振度，降低云層對偏振角圖像的影響，提高太陽子午線的辨識度，部分區(qū)域仍有所彎折扭曲是因?yàn)樽贤鉃V光片鍍膜均勻性不一致所導(dǎo)致。由表2可知，積雨云天氣條件下UV波段解算得航向角誤差明顯低于可見光波段，表明在多云天氣下使用紫外波段進(jìn)行探測仍能獲得較為準(zhǔn)確的導(dǎo)航精度，驗(yàn)證了紫外波段在惡劣天氣條件下采集偏振信息的優(yōu)勢。

圖13 積雨云天氣試驗(yàn)灰度圖和偏振角、偏振度圖像

表2 積雨云天氣下的航向角試驗(yàn)誤差結(jié)果

4 結(jié)束語

為了在陰云天氣條件下獲取穩(wěn)定的大氣偏振模式，提高偏振光導(dǎo)航的天氣適應(yīng)性，本文分析近紫外波段在不同天氣條件下的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場圖像采集的偏振信息導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)，在氣象條件不佳時(shí)，選用紫外濾光片進(jìn)行探測。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了近紫外波段在惡劣天氣條件下采集偏振信息的優(yōu)勢，可以更好的作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充。

本文后續(xù)的主要工作是進(jìn)行試驗(yàn)誤差分析，優(yōu)化動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)誤差偏大的問題，提高惡劣氣象條件下航向角的探測精度。使用一體成型的光學(xué)探測模塊和鏡片自動(dòng)清潔裝置，優(yōu)化配置精度，境地灰塵和雨雪混合物對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，從而實(shí)現(xiàn)不同天氣條件下更高精度的偏振光導(dǎo)航。