本发明专利技术公开了一种仿生方向分析器，包括方向信息获取器件、数据处理模块；所述方向信息获取器件用于探测天空光的偏振特性、将光信号转换为电信号；所述数据处理模块接收方向信息获取器件传送的电信号对该电信号进行计算处理获取方向信息。本发明专利技术的仿生方向分析器中每个纳米光栅与其下方对应的感光像素阵列构成了偏振敏感单元，实现入射天空光的偏振态探测以及光电转换。本发明专利技术利用天空可见光的偏振态在大气中相对稳定的分布模式，经过方向信息获取器件及数据处理模块，推导解算出方向信息。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及方向分析装置领域，尤其涉及一种仿生方向分析器。
技术介绍
生物学家研究发现，经过数十亿年的进化，多种昆虫进化出感知天空光偏振特性 并将其用于导航的奇异能力，可帮助其完成觅食、归巢等行为。生物形态学实验研究显示， 具有偏振导航能力的昆虫，其复眼背部边缘区域(dorsal rim area，DRA)内存在一些特殊 小眼对偏振光非常敏感。这些特殊小眼排列规则，并且其神经感杆内微绒毛的空间排列具 有一定特点。正是这些特殊小眼可感知天空光的偏振特性并用于导航。 目前的方向分析系统主要包括GPS、地磁罗盘、惯性陀螺仪等。其中，GPS系统使用 广泛，且是一种全球、连续实时、高精度的导航方法，但其导航信息受制于人，故信号容易受 到干扰、攻击甚至破坏;地磁罗盘结构简单、体积小、重量轻，但其精度较低;惯性陀螺仪不 受干扰、隐蔽性强，但在长时间使用中存在累计误差。
技术实现思路
本专利技术公开的一种仿生方向分析器:包括方向信息获取器件、数据处理模块； 所述方向信息获取器件用于探测天空光的偏振特性、将光信号转换为电信号；所 述数据处理模块接收方向信息获取器件传送的电信号对该电信号进行计算处理获取方向 信息。 所述方向信息获取器件包括偏振敏感功能器件和光感受功能器件。 所述偏振敏感功能器件为多方向纳米光栅偏振器，所述偏振敏感功能器件模仿昆 虫复眼背部边缘区域中小眼的微绒毛结构:所述偏振敏感功能器件包括三对纳米光栅，其 主偏振方向分别为0°、60°和120°，每对纳米光栅的偏振主轴相互垂直。 所述光感受功能器件为将光信号转换为电信号的CMOS感光像素阵列，该器件模仿 昆虫复眼背部边缘区域小眼的光感受器结构。 光感受功能器件中感光像素阵列将纳米光栅探测到的偏振光信号转换为电信号， 所述电信号的强度与入射光强度及偏振特性相关。 所述数据处理模块对采集到的具有天空光偏振信息的电信号进行处理计算时利 用建立的偏振视觉信息层次聚类模型获得方向信息。 所述数据处理模块模仿昆虫视叶中偏振敏感神经元处理背部边缘区域光感受器 采集的电矢量信息的过程，建立偏振视觉信息层次聚类模型，以操作对象的不同划分三个 层次，第一层：以偏振敏感功能器件中纳米光栅方向差异性为准则，感光像素阵列分为六个 簇，即六个偏振敏感单元，对偏振敏感单元内若干感光像素进行统计筛选及均值滤波，得到 该偏振敏感单元的输出信号;第二层：以偏振敏感单元内纳米光栅方向对立性为准则，偏振 敏感单元可分为三个簇，即三对对立偏振敏感单元;第三层，以对立偏振敏感单元输出信号 差异性为准则，将对立偏振敏感单元划分为七个簇，获得方向角度信息。 如上所述的一种方向信息获取器件的加工工艺，包括以下步骤:采用标准CMOS工 艺制作感光像素阵列，经过隔离、阱工程、沟道工程、栅极氧化工艺和离子注入形成感光区 及源漏区后形成侧墙，并在金属布线后进行表面钝化，完成光感受功能器件的制作;在光感 受功能器件的钝化层上集成制作偏振敏感功能器件，制作工艺采用电子束光刻、极紫外投 影光刻、干涉光刻或者纳米压印光，最后引线完成电气连接并封装。 本专利技术公开的一种仿生方向分析器成本低、结构简单、精度高，即使在光感受功能 器件的部分感光像素在非正常工作状态下，仿生方向分析器仍可正常工作，并且仿生方向 分析器鲁棒性强。本专利技术利用天空可见光的偏振态在大气中相对稳定的分布模式，经过方 向信息获取器件及数据处理模块，推导解算出方向信息。【附图说明】 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。 图1为本专利技术中昆虫复眼背边缘区域偏振敏感小眼的微绒毛阵列结构示意图； 图2为本专利技术仿生方向分析器的结构示意图； 图3为本专利技术仿生方向分析器的结构示意图； 图4为本专利技术中偏振敏感功能器件的工作流程图。【具体实施方式】 为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本 专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述： 如图1-图3所示的一种仿生方向分析器，包括方向信息获取器件1、数据处理模块 2。所述方向信息获取器件1用于探测天空光的偏振特性、将光信号转换为电信号;所述数据 处理模块2接收方向信息获取器件传送的电信号对该电信号进行计算处理获取方向信息。 所述方向信息获取器件1包括偏振敏感功能器件11和光感受功能器件12。 所述偏振敏感功能器件11为多方向纳米光栅偏振器，所述偏振敏感功能器件11模 仿昆虫复眼背部边缘区域中小眼的微绒毛结构:所述偏振敏感功能器件11包括三对纳米光 栅，其主偏振方向分别为0°、60°和120°，由于一些昆虫复眼的背部边缘(DRA)区域中的小眼 对偏振光敏感，这些小眼的微绒毛相互垂直，因此将每对纳米光栅的偏振主轴相互垂直。 偏振敏感功能器件11中每个纳米光栅与其下方对应的感光像素阵列构成了偏振 敏感单元，实现入射天空光的偏振态探测以及光电转换。在本专利技术的偏振敏感单元中，感光 像素输出的电信号经过信号处理(噪声信号滤波及最小二乘法取平均值)后作为该偏振敏 感单元的输出信号；即使该偏振敏感单元中感光像素阵列的个别像素处于非正常工作状态 (如故障或受遮挡），可利用该偏振敏感单元的其他感光像素的输出电信号计算该偏振敏感 单元的输出信号，仿生方向分析器仍可正常工作，仿生方向分析器鲁棒性好。 所述光感受功能器件12为将光信号转换为电信号的CMOS感光像素阵列，该器件模 仿昆虫复眼DRA区域小眼的光感受器结构。 光感受功能器件12中感光像素阵列将纳米光栅探测到的偏振光信号转换为电信 号，所述电信号的强度与入射光强度及偏振特性相关。 电信号I(0)=kl，其中I是入射光强度，偏振特性由α表示。所述数据处理模块2对采集到的具有天空光偏振信息的电信号进行处理计算时利 用建立的偏振视觉信息层次聚类模型获得方向信息。数据处理模块2可以采用RS232串口线 与外界通信，发送偏振方向信息。所述数据处理模块2对采集到的具有天空光偏振信息的电信号进行处理计算时利 用建立的偏振视觉信息层次聚类模型获得方向信息：数据处理模块2从功能上模仿昆虫视叶中偏振敏感神经元处理DRA区域光感受器 采集的电矢量信息的过程，建立偏振视觉信息层次聚类模型，以操作对象的不同划分层次， 每个层次当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种仿生方向分析器，其特征在于：包括方向信息获取器件、数据处理模块；所述方向信息获取器件用于探测天空光的偏振特性、将光信号转换为电信号；所述数据处理模块接收方向信息获取器件传送的电信号对该电信号进行计算处理获取方向信息。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：褚金奎，刘泽，张然，王志文，关乐，李彬，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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