仿生偏振探測技術及導航傳感器應用

褚金奎,張鐘元,張然,于灝,尉達

(大連理工大學 機械工程學院,遼寧 大連116024)

0 引言

偏振態作為光的“第四維”信息,具有“弱光強化,強光弱化”的鮮明特點。基于偏振視覺的探測技術,能夠適應復雜光照環境下的目標測量需求,可有效提升探測距離與空間分辨力,成為遙感學、目標識別、機器視覺測量等領域的研究熱點。

生物學家通過大量的仿生學研究發現,在自然界中,多種生物擁有感知環境偏振光的奇妙能力,并能夠利用偏振光,輔助個體完成覓食、遷徙及環境感知等行為[3]。其中,部分昆蟲在漫長的生物進化中形成了結構精妙的復眼器官,能夠通過偏振視覺感知天空環境下的偏振光場分布,并利用其實現自主導航定位的功能。受到昆蟲利用偏振視覺進行自主導航能力的啟發,國內外眾多學者從仿生偏振探測機理出發,不斷圍繞昆蟲的偏振敏感特性與感知機制開展相關研究,并針對其利用偏振信息進行導航的獨特能力,展開了對仿生偏振光導航機理與方法的全面研究,模仿昆蟲復眼結構設計開發了多種類型的偏振光導航傳感器,并逐步探索偏振光導航技術的應用方法。

本文結合該領域的研究熱點,首先從仿生學研究成果出發,對多種生物的偏振視覺探測機理進行闡述,之后針對自主導航這一關鍵應用方向,分別從天空偏振模式分布研究與偏振光導航傳感器設計應用兩方面,介紹了國內外偏振光導航技術的研究現狀與發展方向。

1 基于仿生學的偏振光探測機理

生物學家經過長期研究發現,在漫長的生物進化過程中,多種昆蟲[1]、遷徙鳥類[2]、海洋生物[3,7]、部分兩棲類[4]、爬行類動物[5],都進化出了能夠探測環境偏振光的獨特能力,并能夠利用偏振光矢量信息,輔助個體完成覓食、遷徙及環境感知等行為。1949年,德國學者Von Frisch K首次發現蜜蜂能夠感知天空偏振光,并根據其方向進行導航的行為特性[6];1950年,Vowles D M等人又發現了部分螞蟻對環境偏振光極化方向的敏感性[7];之后,關于沙蟻[1]、帝王蝶[9]、蟋蟀[8,10]、蝗蟲[11]、夜行蜣螂等昆蟲[12],候鳥[2]、蝙蝠[13]等飛行生物,翻車魚[3]、螳螂蝦[14]等海洋生物的偏振光敏感特性,也通過大量的生物行為學、形態學研究被陸續發現。

進一步的解剖學研究顯示,大多數擁有偏振視覺,或對偏振光敏感的生物,其進行偏振探測的“手段”都依賴于復眼中的部分獨特結構——背部邊沿區域(簡稱DRA)內按照一定規則有序排列的小眼,其對偏振光高度敏感。研究人員發現,DRA區域小眼感桿結構內的微絨毛,與一般視神經區域的雜散分布不同,其空間排列具有沿軸向一致,徑向相互垂直的特點[8,15];微絨毛的排布方式對于不同類型、不同極化方向的偏振光具有一定的選擇性,該特性決定了生物對于環境偏振光具有選擇敏感性。如圖1~3展示了部分生物的DRA小眼結構。沙蟻[8]、蝗蟲[15]等昆蟲的小眼微絨毛多為平面結構,且在不同區域有不同的排列方向,故其對于特定方向的線偏振光敏感;而螳螂蝦的小眼微絨毛為多層疊狀結構,除線偏振光外,其還對部分圓偏振光敏感[14]。

圖1 多種昆蟲的復眼形貌圖Fig.1 Compound eye morphology of various insects

1988年,Labhart等人解釋了蟋蟀偏振視覺的神經作用機理,通過DRA小眼微絨毛的偏振光矢量正交敏感結構,與中樞神經層視神經葉的偏振對立(簡稱為POL)神經元協同作用,昆蟲構成了獨特的偏振視覺系統,且對環境光強不敏感[8]。進一步研究發現,蟋蟀具有三種響應方向不同的POL神經元,其能夠通過對多類神經元信號進行處理,獲得自身體軸與太陽子午線的夾角信息,輔助個體完成飛行導航[10],如圖4所示。

圖4 蟋蟀的POL神經元與極化作用響應示意圖Fig.4 Schematic diagram of POL neurons and polarization response of crickets

圖3 螳螂蝦的DRA小眼結構圖Fig.3 DRA ommatidium structure of mantis shrimps

之后,研究人員又發現了多種昆蟲能夠利用偏振視覺,輔助個體與種群,完成復雜天氣環境、不同光照條件下的導航任務。生物利用天空偏振光導航的奇特能力,引起了相關研究領域的關注,研究者逐步嘗試從仿生偏振視覺的導航機理出發,探尋實現目標自主導航的新手段。

2 面向導航的天空偏振分布模式研究

2.1 理想大氣偏振分布模型

16世紀初,Arago首先發現了天空光場的偏振現象。1871年,學者Rayleigh通過對多種大氣粒子散射特性的研究,提出了瑞利散射模型,對這一現象進行了解釋[16]。當太陽光穿過大氣層時,大氣中的浮游粒子引起入射光的散射和吸收,當其直徑遠小于入射光的波長時(在大氣中,主要針對N2,CO2,O2,O3等微粒),會發生瑞利散射現象。如圖5所示,在晴朗無云的天空下,局部大氣環境可以采用瑞利散射理論,構建大氣偏振光場的分布模型。假設太陽光散射次數為單次,且散射光為線偏振光,通過在地理坐標系下觀測位置、太陽位置與觀測者的空間幾何關系,建立了基于瑞利散射的大氣偏振分布模型,計算獲得全天空的偏振參數分布圖。

圖5 瑞利散射模型及大氣偏振模式分布圖Fig.5 Rayleigh scattering model and atmospheric polarization pattern

2007年,大連理工大學趙開春等人[17]基于瑞利散射理論,運用可視化C++軟件,開發了大氣偏振模式測量仿真系統,實現了對全天空偏振光分布模式的仿真,并能夠通過參數設置,預測指定時間點和地理位置的天空偏振信息,如圖6所示;2010年,合肥工業大學張旭東等人[18]運用麥克斯韋方程研究光波的前向散射過程,并從電矢量的角度出發,分析太陽光在理想大氣中的單次瑞利散射過程,建立了基于矢量法的天空偏振光分布模型。

圖6 大連理工大學開發的可視化大氣偏振信息測量系統界面Fig.6 Interface of visual atmospheric polarization information measurement system developed by Dalian University of Technology

在多云、雨雪等復雜天氣環境下,大氣中存在許多大尺度的水滴、塵埃等粒子,自然光經常會發生多次散射,簡單的瑞利散射模型已經無法有效解釋該過程。1908年,學者Mie提出了米氏散射理論[19],當大氣中浮游粒子的直徑與入射光波長相近時,其散射過程符合米氏散射模型。

2010年,中國科學院上海光學精密機械研究所黃旭鋒等人[20]基于米氏散射理論建立了單次光的散射偏振模型,并利用矢量偏振分析裝置測量大氣散射光的偏振態,分析了不同天氣狀況對大氣偏振模式的影響;2011年,合肥工業大學吳良海等人[21]利用米氏散射模型分析了大氣中多種粒子的散射與偏振特性,并通過隨機傳輸理論進行仿真;2013年,大連理工大學覃彬等人[22]運用米氏散射模型和斯托克斯矢量方法,分析多種不同尺寸氣溶膠粒子對天空光偏振度的影響,并搭建了天空偏振光測量系統。相關研究結果表明,米氏散射模型更貼近于實際的大氣散射,但在解釋氣溶膠等復雜大氣成分的偏振傳輸特性時,存在一定的局限性。

2011年,Buras等人[23]提出了基于蒙特卡洛法的矢量輻射傳輸模型,在大氣散射傳輸模型中引入了氣溶膠、云團等復雜大氣成分的影響,如圖7所示。矢量輻射傳輸模型克服了米氏散射模型的局限性,可用于建立更符合實際情形的大氣偏振分布模型。

圖7 Buras等人提出的矢量輻射傳輸模型及仿真測試圖Fig.7 Vector radiation transmission model and simulation test proposed by Buras et al

考慮到矢量輻射傳輸模型的復雜性,采用傳統分析方法無法模擬大氣散射光傳輸的過程。2013年,大連理工大學王威等人[24]利用簡化的雙層大氣模型模擬實際大氣,并通過“倍加-累加法”求解矢量輻射傳輸方程,得到全天空離散點處光波的斯托克斯參量,建立了基于矢量輻射傳輸模型的大氣偏振模型,如圖8所示。2014年,合肥工業大學王子謙等人[25]基于矢量輻射傳輸模型提出了一種針對渾濁大氣偏振模式的建模方法,并對大氣的偏振分布模式與變化特性進行分析和預測。

圖8 大連理工大學基于蒙特卡洛法的大氣偏振建模流程圖Fig.8 Flow chart of atmospheric polarization modeling based on Monte Carlo method developed by Dalian University of Technology

2.2 天空偏振分布規律研究

20世紀末,隨著光學探測技術的發展,國外學者針對大氣偏振模式測量方法的研究不斷深入。1981年,學者Brines運用簡易的偏振光探測裝置,以間隔5°的太陽高度角和太陽方位角,對全天空偏振光場進行掃描測量[26]。1997年,Voss等人使用改進的廣角相機,設計了天空偏振信息測量系統,對視野內的天空光偏振特性進行了實時探測與分析[27]。1999年,Horvath等人對日出時刻的天空光偏振信息進行了探測,通過分析得到了天空光偏振度與太陽位置的關系,進一步驗證了晴朗天空下瑞利散射模型的合理性[28]。

近年來,國內相關研究領域也相繼開展了針對天空偏振分布規律的研究,包括中國科學院安徽光學精密機械研究所、中國科學院遙感應用研究所、中國科學院上海技術物理研究所、國防科技大學、北京大學、清華大學、大連理工大學、中北大學、西北工業大學等眾多單位均基于仿生導航應用,展開了相關研究工作。其中,清華大學趙開春等人[29]搭建了基于CMOS工業相機的分時天空偏振光自動探測裝置,并利用該裝置對天頂偏振光進行了長時間的持續觀測,如圖9所示;中國科學院安徽光學精密機械研究所開發了多波段偏振探測型CCD相機,并以Y-12飛機作為飛行平臺,開展了多次天空偏振遙感探測試驗[30];北京大學晏磊團隊[31]運用全天空偏振測量裝置,對多波段天空偏振光的分布模式進行了探測,并結合天文導航方法,分析了生物利用天空偏振信息確定航向的機理;大連理工大學褚金奎[24]課題組分別基于瑞利散射模型和矢量輻射傳輸模型,分析了多種天氣條件下全天空多波段偏振光的分布規律,如圖10所示,并通過仿真分析結果,對昆蟲偏振視覺敏感區多位于藍紫波段的現象進行了解釋,進而為仿生偏振光導航應用提供了理論依據[32-33]。

圖9 清華大學搭建的天空偏振光觀測實驗裝置圖Fig.9 Experimental device for observation of polarized skylight designed by Tsinghua University

圖10 大連理工大學針對水云條件下的天空偏振模式仿真圖Fig.10 Simulation results of the skylight polarization model under water cloud conditions proposed by Dalian University of Technology

3 偏振光導航傳感器的發展與應用

導航能力是生物感知,預測自身方位信息的關鍵方法。隨著信息時代的發展,導航定位技術在人類活動中,愈發凸顯重要意義。目前,廣泛應用的導航技術包括地圖導航、無線電導航、慣性導航、天文導航等多種手段;而基于多傳感器信息融合的組合導航技術與多策略自適應的智能自主導航方法,逐漸成為現代導航技術的發展趨勢。

受生物啟發的偏振光導航技術,具有完全自主、抗主動干擾、誤差不隨時間累計的優勢[34]。開發偏振光導航傳感器,探索仿生偏振光導航方法,為面向復雜環境,遠距離、長周期的目標自主導航與組合導航應用,提供了新的研究思路。

3.1 偏振光導航傳感器的發展

早期偏振光導航傳感器的研究工作,主要從模仿昆蟲的單一復眼結構出發,探索其導航原理的可行性。1997年,Labhart等人[35]模仿蟋蟀的DRA小眼結構與POL神經元機理,首先開發出了多通道仿生偏振光探測裝置,并將其搭載在移動機器人上開展模擬導航實驗,如圖11所示;2008年,大連理工大學褚金奎課題組趙開春等人[36]從沙蟻的偏振導航機理出發,研制了基于ARM微處理器的三通道偏振光導航傳感器,如圖12所示;該傳感器的光學探測通道由線性檢偏片,藍色濾光片和硅光電二極管構成,其三通道的偏振敏感方向依次為0°,60°,120°,各通道通過對數放大單元,將光電流轉換為可供解算的電壓信號,經系統標定,其角度測量誤差在±0.2°范圍內;2012年,紐卡斯爾大學的Chahl等人[37]模仿蜻蜓的偏振視覺探測機理,設計了包含環境光與天空偏振光感知的多單元仿生偏振探測裝置,并將其安裝在彈射滑翔機的頭部,完成了無人機飛行的航向角測量,如圖13所示。

圖11 Labhart等人搭建的仿生天空偏振光探測裝置及原理示意圖Fig.11 Bionic polarized skylight detection device and schematic diagram designed by Labhart et al

圖12 大連理工大學設計的三通道仿生導航傳感器樣機及傳感器結構功能框圖Fig.12 Three-channel bionic polarized skylight navigation sensor and structure block diagram of the sensor designed by Dalian University of Technology

圖13 Chahl等人開發的仿蜻蜓偏振探測裝置Fig.13 The dragonfly-like polarization detection device developed by Chahl et al

隨著研究的深入,偏振光導航傳感器技術已逐漸走向成熟。現有的偏振光導航傳感器,從結構上可分為點源式偏振光傳感器和成像式偏振光傳感器。點源式偏振光傳感器一般由多個分立的感光元件構成,其結構簡單,數據單元較少,易于處理,且響應速度和瞬時精度可以達到較高的水平。2014年,大連理工大學褚金奎課題組基于納米壓印工藝,設計并制作了一種集成式偏振光探測陣列[38],該集成器件的微納結構如圖14所示。圖中,(a)~(f)光敏區表面不同排列方向的金屬光柵,其相對角度分別為0°,60°,120°,90°,150°,30°;在SOI基底上制作六個分立的硅光敏PN結(如圖9),并在各光敏區域表面壓印不同方向的雙層金屬納米光柵作為偏振片,以該器件作為偏振探測單元,研制的集成偏振光導航傳感器,具備微型化的特點,且室內標定誤差在±0.1°范圍內,能夠滿足偏振導航的要求。

圖14 大連理工大學設計的偏振光探測陣列集成器件結構與微形貌Fig.14 Structure and micro morphology of polarization detection array integrated device designed by Dalian University of Technology

近年來,隨著半導體技術的不斷發展,CCD,CMOS等新型的成像式光敏器件逐步走向成熟。基于MEMS工藝的成像式感光器件,使單位面積上的感光像素數量提高了數十萬倍,其數據穩定性明顯優于傳統的光電二極管陣列。同時,適用于CMOS傳感器的天空偏振模式圖像識別算法,有效提升了偏振光傳感器對于復雜天氣的適應能力,這使得成像式偏振光導航傳感器具備更佳的測量魯棒性。2016年,國防科技大學胡小平團隊[39]利用四通道CCD相機,設計了一種成像式偏振導航傳感器,如圖15所示。該傳感器的單通道偏振感光單元(如圖15(a))由廣角鏡頭、線性檢偏片和CCD相機(如圖15(b))組成,各通道的偏振敏感方向依次相差45°(如圖15(c));經過誤差分析與系統標定,其理論測量精度較高,且在室外測量時具有較好的魯棒性。2020年,大連理工大學褚金奎課題組關傳瀧等人運用納米壓印技術,將多方向金屬線柵壓印在CMOS器件表面,實現了成像式偏振探測單元的集成,如圖16所示。其中,圖16(a)為使用成像式集成單元搭建的傳感器樣機,圖16(b)和圖16(e)為集成單元微結構與金屬光柵排列方向示意圖,其相對角度分別為0°,60°,90°,150°。之后利用該微型器件,設計了一種支持角度實時解算的成像式偏振導航傳感器,并通過自適應魯棒標定算法,實現了誤差范圍在±0.1°的室內測量精度[40]。

圖15 國防科技大學搭建的成像式偏振導航傳感器樣機Fig.15 Camera-based polarization navigation sensor prototype designed by National University of Defense Technology

圖16 大連理工大學開發的成像式偏振探測集成單元及傳感器樣機Fig.16 Camera-based polarization detection integrated unit and sensor prototype developed by Dalian University of Technology

目前,偏振光導航傳感器正朝向微型化、集成化、高精度、強魯棒性的目標發展;基于多光譜測量、多傳感器融合、圖像化智能算法技術的新一代偏振光導航測量系統,將獲得更加廣泛的應用。

3.2 偏振光導航方法的應用

伴隨偏振光導航傳感器技術的快速發展,基于仿生機理的偏振光導航方法,逐步面向實際導航應用場合。1999年,Labhart等人[41]將自制的仿沙蟻復眼偏振光傳感器與環境光傳感器安裝在Sahabot 2移動機器人上,用以解算朝向信息,并結合光電編碼器完成路徑積分算法,實現了室外環境下機器人的簡單導航任務,如圖17所示。

圖17 Labhart等人開發的Sahabot 2移動機器人及其搭載的偏振光傳感器Fig.17 Sahabot 2 mobile robot and its polarized skylight detection device developed by Labhart et al

2010年,大連理工大學褚金奎課題組[42]基于點源式偏振光導航傳感器和光電編碼器,搭建了輪式移動機器人自主導航測試平臺,并通過軌跡規劃實驗,實現了無GPS條件下機器人的自主導航,如圖18所示。

圖18 大連理工大學開發的移動機器人自主導航測試平臺Fig.18 Mobile robot autonomous navigation test platform developed by Dalian University of Technology

近年來,針對長距離、復雜場景的現代導航應用,將偏振光導航方法融入組合導航系統,得到了國內外多所研究院校的密切關注。2012年,東南大學祝燕華等人[43]將偏振光導航、慣性導航與GPS導航方法等進行融合,并通過系統動態仿真,驗證了偏振光組合導航方法能夠有效增強系統導航性能。2015年,大連理工大學王寅龍等人[44]設計了一種基于偏振光場與地磁場模型的自主實時定位樣機,如圖19所示。通過樣機多方向偏振光傳感器與電子羅盤提供的實時數據,結合外部的時間與地磁方向信息,能夠解算樣機所在位置的經緯度信息。

圖19 基于偏振光與地磁場模型的自主實時定位樣機Fig.19 Autonomous real-time positioning prototype based on polarized light and geomagnetic field model

2017年,大連理工大學支煒等人[45]運用擴展卡爾曼濾波算法,將多傳感器信息進行融合解算,并基于四旋翼無人機平臺開展了偏振光組合導航飛行實驗,如圖20所示。其軌跡精度與航姿解算精度均有一定的提升。

圖2 蝗蟲的DRA小眼結構圖Fig.2 DRA ommatidium structure of locusts

圖20 無人機平臺的偏振光組合導航飛行實驗Fig.20 Polarized light integrated navigation flight experiment of UAV platform

2019年,法國馬賽大學的Dupeyroux等人[46]開發了一種針對天空紫外波段偏振光的點源式探測裝置,將其安裝在AntBot仿沙蟻六足機器人上,并運用組合導航方法模擬沙蟻的歸巢行為,如圖21所示。實驗結果表明,偏振光導航方法能夠保證“沙蟻順利歸巢”,即有效提升機器人長距離移動后的相對位置重復性。

圖21 AntBot仿沙蟻六足機器人及其搭載的天空紫外波段偏振光探測裝置Fig.21 AntBot desert-ant-like hexapod robot and its ultraviolet-waveband polarized skylight detection device

4 結論

自然界中,眾多生物擁有感知環境偏振光的奇妙能力,引起了研究人員對仿生偏振探測機理的密切關注。通過大量的仿生學研究發現,生物的偏振探測能力,來源于其特殊的復眼DRA結構,與視神經中POL神經元的協同作用;其中,多種昆蟲能夠利用偏振視覺,輔助個體與種群完成天空環境下的復雜導航任務。

面向理想大氣環境,瑞利散射模型相對簡單,能夠較好地描述晴朗環境下的大氣偏振模式分布模式;米氏散射與矢量輻射傳輸模型,能夠解釋復雜天氣環境下大氣散射光的傳輸過程,但其分析過程較為復雜,相關環境參數不易量化,在實際應用中仍受到諸多限制。近年來,國內外眾多研究機構,對天空偏振光分布模式進行了長期的觀測與分析,研究結果表明,瑞利散射對天空偏振分布具有指導意義,天空的藍紫色波段光更利于偏振光探測及導航。

受生物啟發的偏振光導航技術,具有完全自主、抗主動干擾、誤差不隨時間累計的優勢。開發偏振光導航傳感器,探索仿生偏振光導航方法,為復雜條件下,遠距離的目標自主導航與組合導航應用,提供了新的研究思路。目前,偏振光導航傳感器正朝向微型化、集成化、高精度、強魯棒性的目標發展;基于多光譜測量、多傳感器融合、圖像化智能算法技術的新一代偏振光導航測量系統,將獲得更加廣泛的應用。