野外环境天空偏振建模对准测量装置制造方法及图纸

野外环境天空偏振建模对准测量装置，提供方向基准并对复杂环境下天空偏振模式进行检测。该装置构成包括偏振图像测量模块、旋转驱动模块、激光标线模块、平台对准模块，用户控制和处理模块。检测时平台对准模块使成像通光轴与激光标线仪的中心轴线对准共线；基于激光标线模块，使装置参考方向与GPS测得的外部参考矢量对准，得到天空偏振图像的方向基准；用户控制和处理模块传送用户指令，使旋转驱动模块控制偏振片进行有序旋转，调节相机输入光的偏振态；同时使偏振图像测量模块测得偏振图像信息。该装置及检测方法适用于野外复杂环境下检测天空偏振模式，并为天空偏振建模提供可靠的方向基准。

【技术实现步骤摘要】
野外环境天空偏振建模对准测量装置
本专利技术涉及天空偏振建模研究和智能信息获取领域，特别涉及野外环境天空偏振建模对准测量装置，为仿生偏振导航提供建模基础。
技术介绍
太阳光穿过大气层辐射传输时，与大气粒子发生散射和吸收作用，在全天域范围内形成具有特定分布模式的偏振场，其蕴含空间信息规律，被用于仿生偏振导航。目前天空偏振模型的建立通常都是基于瑞利散射理论，该理论适用于晴朗无云的天气条件，但在多云、雾、霾等复杂天气并不适用。因此建立环境适应的偏振模型是研究仿生偏振导航需要解决的重要问题之一。通过观测复杂天气下的天空偏振模式来修正瑞利散射模型的方法，需要一种能长期观测的成像式偏振测量装置，并且该装置还能够提供准确的坐标基准，以提高偏振图像解算静基座航向角的精度。目前的能提供方位基准的主要有惯性测量、地磁测量、GPS差分测量等。惯性测量所需成本大，地磁测量和GPS差分测量对干扰的抵抗能力差。全自动大气偏振模式图像获取系统，专利号200910116671.3，在偏振测量方面，使用可调节相位延迟器作为检偏器，只需要调节电压值就能改变偏振透光轴的相对角度，比较方便；但通过机械结构带动广角镜头对天空多个区域进行扫描和拼接组成全天域的大气偏振模式，引入了图像拼接误差，增加了测量时间，且没有考虑方位基准问题。一种大气偏振模式检测及航向解算系统及方法，专利号201611187816.5使用的四通道偏振图像采集装置，其通过图像处理得到偏振图像中太阳子午线的位置和载体体轴的夹角，当测量天气条件复杂时，偏振图像中干扰较多，精度会受到影响，不适合野外复杂环境下的偏振建模。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，如不能满足在野外复杂环境下建立精确的方向基准，以提供航向角对准，难以长期，稳定的测量天空偏振模式，很难为大气偏振建模提供有效的修正信息，为此，本专利技术提出了一种野外环境天空偏振建模对准测量装置。本专利技术的技术方案是：野外环境天空偏振建模对准测量装置，包括偏振图像测量模块(1)、旋转驱动模块(2)、激光标线模块(3)、平台对准模块(4)，用户控制和处理模块(5)；所述偏振图像测量模块(1)和旋转驱动模块(2)分别与用户控制和处理模块(5)相连，且偏振图像测量模块(1)与旋转驱动模块(2)相连，偏振图像测量模块(1)接收用户控制和处理模块(5)输出的测量信号，进入定时成像状态；同时，旋转驱动模块(2)接收用户控制和处理模块(5)输出的时序控制信号，驱动旋转台有序转动，产生的旋转力矩带动偏振片进行旋转，偏振片调节输入天空光的偏振态，使通过鱼眼镜头的输入CCD相机的光成为对应不同偏振化方向的线偏光，线偏光进入CCD相机后成像，得到数字图像信号。偏振图像测量模块(1)将数字图像信号输出到用户控制和处理模块(5)作为解析天空偏振分布模式的原始数据，其中数字图像信号包含红、绿、蓝三种光谱的天空光强信息；由于结构上偏振图像测量模块(1)的中心轴线与旋转驱动模块(2)的中心轴线共线，通过设置旋转台的旋转零位，可以使偏振图像测量模块(1)具有的参考标线的初始位置所在方向与旋转驱动模块(2)所决定的装置参考方向一致；旋转驱动模块(2)和激光标线模块(3)分别与平台对准模块(4)面接触，结构上偏振图像测量模块(2)的中心轴线、激光标线模块(3)的中心轴线以及平台对准模块(4)的中心轴线，三者共线，从而偏振图像测量模块(1)的中心轴线与激光标线模块(3)的中心轴线也共线，易得到成像装置的姿态信息；激光标线模块(3)提供野外环境下的外部参考矢量，当外部参考矢量与偏振图像测量模块(1)决定的参考标线的初始位置所在方向共面时，即实现装置参考方向与外部参考矢量的对准；基于该对准测量装置的五个模块，采用偏振图像信息和方位基准检测方法实现对野外复杂环境下天空偏振模式的检测，并通过装置参考方向与外部参考矢量的对准，为天空偏振建模提供方向基准。所述的偏振图像测量模块(1)由偏振片(101)、鱼眼镜头(102)、CCD相机(103)、内部支架(104)、快装板(105)、遮光套筒(106)、固定盖(107)、里盖(108)和光学玻璃(109)组成；其中固定盖(107)位于里盖(108)的轴向上方，光学玻璃(109)位于固定盖(107)的轴向下方，光学玻璃(109)的轴向下方是偏振片(101)，偏振片(101)的下端和里盖(108)相连，固定盖(107)、光学玻璃(109)、偏振片(101)、里盖(108)相邻之间夹着垫片，固定盖(107)和里盖(108)之间通过螺钉连接，拧紧螺钉可以固定光学玻璃(109)和偏振片(101)；固定盖(107)和遮光套筒(106)之间通过螺钉连接；在遮光套筒(106)的内部为鱼眼镜头(102)、CCD相机(103)、支架(104)和快装板(105)，其中鱼眼镜头(102)位于CCD相机(103)的轴向上方，其与CCD相机(103)之间通过螺纹连接；CCD相机(103)和快装板(105)之间通过梯形导轨连接，用螺钉固定；快装板(105)和内部支架(104)之间通过螺钉连接，内部支架(104)的中心轴线与遮光套筒(106)的中心轴线同轴，且内部支架(104)穿过遮光套筒(106)底部的圆孔与旋转驱动模块(2)相连；天空光经过光学玻璃(109)，通过偏振片(101)调节光的偏振态，得到线偏光，线偏光进入鱼眼镜头(102)聚光，然后进入CCD相机(103)中成像，得到数字图像信号；通过CCD相机(103)和快装板(105)之间的梯形导轨可以调节鱼眼镜头(102)到偏振片(101)的距离，扩大成像的视角范围，使之大于160°；光学玻璃(109)无色透明，不影响入射天空光的偏振态；遮光套筒(106)、固定盖(107)、光学玻璃(109)和垫片对内部的成像设备起到防水、防尘的作用，并且除了光学玻璃(109)、偏振片(101)以及鱼眼镜头(102)和CCD相机(103)的内部结构，偏振图像测量模块(1)的其它组成部分的表面都涂成黑色，以减少模块内部的光反射影响；遮光套筒(106)、固定盖(107)、里盖(108)上刻有参考标线，该条参考标线是在当遮光套筒(106)处于旋转零位时，沿着装置参考方向在遮光套筒(106)、固定盖(107)和里盖(108)上刻画的，与装置参考方向一致，装置参考方向由所述的旋转驱动模块(2)决定；由于偏振片(101)的通光轴方向是已知的，偏振片(101)安装时，使其通光轴方向与里盖(108)上的参考标线方向保持一致，这样可以保证初始偏振片(101)通光轴方向与装置参考方向一致；同时由于快装板(105)安装到内部支架(104)时，将其梯形导轨的滑动方向与遮光套筒(106)上的参考标线保持一致，这样保证了CCD相机(103)安装在快装(105)后，相机的姿态相对遮光套筒(106)是可知的。所述的旋转驱动模块(2)由旋转台(201)、装置参考方向标志(202)、旋转底座(203)、铅锤(204)、外壳(205)组成，其中旋转台(201)与所述偏振图像测量模块(1)中的遮光套筒(106)之间通过螺钉连接；旋转台(201)中间是通孔，所述偏振图像测量模块(1)中的内部支架(104)穿过该通孔，内部支架(104)通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.野外环境天空偏振建模对准测量装置，其特征是：包括偏振图像测量模块(1)、旋转驱动模块(2)、激光标线模块(3)、平台对准模块(4)，用户控制和处理模块(5)；所述偏振图像测量模块(1)和旋转驱动模块(2)分别与用户控制和处理模块(5)相连，且偏振图像测量模块(1)与旋转驱动模块(2)相连，偏振图像测量模块(1)接收用户控制和处理模块(5)输出的测量信号，进入定时成像状态；同时，旋转驱动模块(2)接收用户控制和处理模块(5)输出的时序控制信号，驱动旋转台有序转动，产生的旋转力矩带动偏振片进行旋转，偏振片调节输入天空光的偏振态，使通过鱼眼镜头的输入CCD相机的光成为对应不同偏振化方向的线偏光，线偏光进入CCD相机后成像，得到数字图像信号；偏振图像测量模块(1)将数字图像信号输出到用户控制和处理模块(5)作为解析天空偏振分布模式的原始数据，其中数字图像信号包含红、绿、蓝三种光谱的天空光强信息；由于结构上偏振图像测量模块(1)的中心轴线与旋转驱动模块(2)的中心轴线共线，通过设置旋转台的旋转零位，可以使偏振图像测量模块(1)具有的参考标线的初始位置所在方向与旋转驱动模块(2)所决定的装置参考方向一致；旋转驱动模块(2)和激光标线模块(3)分别与平台对准模块(4)面接触，结构上偏振图像测量模块(2)的中心轴线、激光标线模块(3)的中心轴线以及平台对准模块(4)的中心轴线，三者共线，从而偏振图像测量模块(1)的中心轴线与激光标线模块(3)的中心轴线也共线，易得到成像装置的姿态信息；激光标线模块(3)提供野外环境下的外部参考矢量，当外部参考矢量与偏振图像测量模块(1)决定的参考标线的初始位置所在方向共面时，即实现装置参考方向与外部参考矢量的对准；基于该对准测量装置的五个模块，采用偏振图像信息和方位基准检测方法实现对野外复杂环境下天空偏振模式的检测，并通过装置参考方向与外部参考矢量的对准，为天空偏振建模提供方向基准。...

【技术特征摘要】
1.野外环境天空偏振建模对准测量装置，其特征是：包括偏振图像测量模块(1)、旋转驱动模块(2)、激光标线模块(3)、平台对准模块(4)，用户控制和处理模块(5)；所述偏振图像测量模块(1)和旋转驱动模块(2)分别与用户控制和处理模块(5)相连，且偏振图像测量模块(1)与旋转驱动模块(2)相连，偏振图像测量模块(1)接收用户控制和处理模块(5)输出的测量信号，进入定时成像状态；同时，旋转驱动模块(2)接收用户控制和处理模块(5)输出的时序控制信号，驱动旋转台有序转动，产生的旋转力矩带动偏振片进行旋转，偏振片调节输入天空光的偏振态，使通过鱼眼镜头的输入CCD相机的光成为对应不同偏振化方向的线偏光，线偏光进入CCD相机后成像，得到数字图像信号；偏振图像测量模块(1)将数字图像信号输出到用户控制和处理模块(5)作为解析天空偏振分布模式的原始数据，其中数字图像信号包含红、绿、蓝三种光谱的天空光强信息；由于结构上偏振图像测量模块(1)的中心轴线与旋转驱动模块(2)的中心轴线共线，通过设置旋转台的旋转零位，可以使偏振图像测量模块(1)具有的参考标线的初始位置所在方向与旋转驱动模块(2)所决定的装置参考方向一致；旋转驱动模块(2)和激光标线模块(3)分别与平台对准模块(4)面接触，结构上偏振图像测量模块(2)的中心轴线、激光标线模块(3)的中心轴线以及平台对准模块(4)的中心轴线，三者共线，从而偏振图像测量模块(1)的中心轴线与激光标线模块(3)的中心轴线也共线，易得到成像装置的姿态信息；激光标线模块(3)提供野外环境下的外部参考矢量，当外部参考矢量与偏振图像测量模块(1)决定的参考标线的初始位置所在方向共面时，即实现装置参考方向与外部参考矢量的对准；基于该对准测量装置的五个模块，采用偏振图像信息和方位基准检测方法实现对野外复杂环境下天空偏振模式的检测，并通过装置参考方向与外部参考矢量的对准，为天空偏振建模提供方向基准。2.根据权利要求1所述的对准测量装置，其特征是：所述的偏振图像测量模块(1)由偏振片(101)、鱼眼镜头(102)、CCD相机(103)、内部支架(104)、快装板(105)、遮光套筒(106)、固定盖(107)、里盖(108)和光学玻璃(109)组成；其中固定盖(107)位于里盖(108)的轴向上方，光学玻璃(109)位于固定盖(107)的轴向下方，光学玻璃(109)的轴向下方是偏振片(101)，偏振片(101)的下端和里盖(108)相连，固定盖(107)、光学玻璃(109)、偏振片(101)、里盖(108)相邻之间夹着垫片，固定盖(107)和里盖(108)之间通过螺钉连接，拧紧螺钉可以固定光学玻璃(109)和偏振片(101)；固定盖(107)和遮光套筒(106)之间通过螺钉连接；在遮光套筒(106)的内部为鱼眼镜头(102)、CCD相机(103)、支架(104)和快装板(105)，其中鱼眼镜头(102)位于CCD相机(103)的轴向上方，其与CCD相机(103)之间通过螺纹连接；CCD相机(103)和快装板(105)之间通过梯形导轨连接，用螺钉固定；快装板(105)和内部支架(104)之间通过螺钉连接，内部支架(104)的中心轴线与遮光套筒(106)的中心轴线同轴，且内部支架(104)穿过遮光套筒(106)底部的圆孔与旋转驱动模块(2)相连；天空光经过光学玻璃(109)，通过偏振片(101)调节光的偏振态，得到线偏光，线偏光进入鱼眼镜头(102)聚光，然后进入CCD相机(103)中成像，得到数字图像信号；通过CCD相机(103)和快装板(105)之间的梯形导轨可以调节鱼眼镜头(102)到偏振片(101)的距离，扩大成像的视角范围，使之大于160°；光学玻璃(109)无色透明，不影响入射天空光的偏振态；遮光套筒(106)、固定盖(107)、光学玻璃(109)和垫片对内部的成像设备起到防水、防尘的作用，并且除了光学玻璃(109)、偏振片(101)以及鱼眼镜头(102)和CCD相机(103)的内部结构，偏振图像测量模块(1)的其它组成部分的表面都涂成黑色，以减少模块内部的光反射影响；遮光套筒(106)、固定盖(107)、里盖(108)上刻有参考标线，该条参考标线是在当遮光套筒(106)处于旋转零位时，沿着装置参考方向在遮光套筒(106)、固定盖(107)和里盖(108)上刻画的，与装置参考方向一致，装置参考方向由所述的旋转驱动模块(2)决定；由于偏振片(101)的通光轴方向是已知的，偏振片(101)安装时，使其通光轴方向与里盖(108)上的参考标线方向保持一致，这样可以保证初始偏振片(101)通光轴方向与装置参考方向一致；同时由于快装板(105)安装到内部支架(104)时，将其梯形导轨的滑动方向与遮光套筒(106)上的参考标线保持一致，这样保证了CCD相机(103)安装在快装(105)后，相机的姿态相对遮光套筒(106)是可知的。3.根据权利要求1所述的对准测量装置，其特征是：所述的旋转驱动模块(2)由旋转台(201)、装置参考方向标志(202)、旋转底座(203)、铅锤(204)、外壳(205)组成，其中旋转台(201)与所述偏振图像测量模块(1)中的遮光套筒(106)之间通过螺钉连接；旋转台(201)中间是通孔，所述偏振图像测量模块(1)中的内部支架(104)穿过该通孔，内部支架(104)通过螺钉垂直固定在外壳(205)上；旋转台(201)和外壳(205)之间通过螺钉连接；旋转底座(203)位于外壳(205)的正下方，外壳(205)和旋转底座(203)之间通过螺钉连接；装置参考方向标志(202)粘贴在外壳(205)短轴的对称线上；铅锤(204)通过细铁链悬挂在旋转底座(203)底端的中心处；所述旋转台(201)是伺服电机和转台一体的，设置旋转台(201)的旋转零位与装置参考方向一致，装置参考方向是由转台轴心指向装置参考方向标志(202)的方向；每次工作时，旋转台(201)首先归到零位，旋转台(201)接收到用户控制和处理模块(5)输出的控制信号后，伺服电机按照一定的旋转角度和旋转速度驱动旋转台转动，旋转台带动遮光套筒(106)旋转，从而带动了偏振片(101)旋转，改变了偏振片(101)通光轴的方向，即入射光的偏振化方向与装置参考方向的相对角度发生改变；旋转底座(203)侧面刻有0°～360°的标尺，转动旋转底座(203)具有辅助对准的作用；铅锤(204)具有对中的作用，体现偏振图像测量模块(1)和旋转驱动模块(2)作为整体时其中心轴线的位置。4.根据权利要求1所述的对准测量装置，其特征是：所述激光标线模块(3)由微调底座(303)、微调铅锤(304)、激光标线仪(305)、校准标杆(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭雷，高倩，钱建强，张霄，许欢，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11