專利名稱：四通道大氣偏振信息檢測傳感器信號(hào)處理與補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能信息獲取和處理，以及仿生機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，是一種大氣偏振信息 的測量裝置的信號(hào)處理方法，特別涉及一種四通道的大氣偏振信息檢測傳感器的信號(hào)處理與. 補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
太陽光本身是一種自然光源，但是在大氣傳輸過程中被大氣中的粒子散射和反射，比如 被02和N2分子，由此會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的偏振光。具有不同偏振方向，不同偏振強(qiáng)度的太陽光， 便形成了特定的大氣偏振模式。大氣偏振模式信息主要包括大氣偏振度、偏振化方向等參數(shù) 信息。大氣偏振模式和地理位置、太陽位置、大氣環(huán)境、天氣情況，甚至和地面環(huán)境有著密 切的聯(lián)系，其規(guī)律非常復(fù)雜。大氣偏振模式中含有重要的導(dǎo)航信息，對(duì)仿生機(jī)器人的導(dǎo)航有 著重要指導(dǎo)意義與研究價(jià)值。另外，大氣偏振信息在大氣光學(xué)和偏振遙感探測等研究中也有 著廣泛的應(yīng)用，大氣偏振特性的時(shí)空分布信息為反演大氣的光學(xué)和物理參數(shù)、建立大氣散射 輻射偏振特性模型提供了必不可少的素材。因此，要實(shí)現(xiàn)利用偏振模式完成自主導(dǎo)航任務(wù)或 者探測大氣相關(guān)信息，大氣偏振模式信息的測量是必不可少的。
大氣偏振模式中最重要的兩個(gè)信息是偏振度信息和偏振化方向信息，即檢測時(shí)刻的太陽 方位角，大氣偏振模式信息的測量主要就是針對(duì)偏振度信息和偏振化方向信息的檢測。
本申請(qǐng)人在2006年5月9日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?00610040467.4、名稱為"大氣偏振模式檢 測裝置及其檢測方法"的發(fā)明專利申請(qǐng)中，提出了一種基于光電模型的大氣偏振模式信息檢 測裝置，該裝置中含有一個(gè)光偏振信息采集器，該光偏振信息采集器是用于對(duì)大氣偏振模式 信息獲取的傳感器裝置。光偏振信息采集器含有四個(gè)偏振光檢測通道，其中每兩個(gè)偏振光檢 測通道構(gòu)成一路偏振信息檢測單元，每一路偏振信息檢測單元含有一對(duì)光電管偏振檢測器和 一個(gè)對(duì)數(shù)放大器組成。其信號(hào)處理過程是每路偏振信息檢測單元中的一對(duì)檢偏器將其檢測到' 的含有大氣偏振模式的光信息送至光電二極管，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再 分別將每路中的一對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)放大，對(duì)數(shù)放大信號(hào)再經(jīng)過運(yùn)算與放大， 從而完成大氣偏振模式信息的獲取和轉(zhuǎn)換。
由于在實(shí)際的大氣偏振模式信息檢測的信號(hào)獲取與處理過程中不可避免會(huì)引入誤差和 噪聲。但是，在申請(qǐng)?zhí)枮?00610040467.4的專利說明書中，以及在現(xiàn)有的基于光電模型的大 氣偏振信息檢測裝置和設(shè)備的偏振信息獲取與處理方法上，并沒有考慮實(shí)際檢測裝置中物理 器件的信號(hào)響應(yīng)特性不一致等情況，造成了多個(gè)通道之間信號(hào)不匹配的問題，使得實(shí)際檢測信號(hào)中存在較為嚴(yán)重的誤差和噪聲。此外，現(xiàn)有檢測裝置和設(shè)備中，大多使用高靈敏度的光 電轉(zhuǎn)換器件，由于強(qiáng)調(diào)了光電轉(zhuǎn)換器件的靈敏度，而沒有充分考慮檢測環(huán)境的多變性與光信 息的敏感性，沒有在信號(hào)處理中采用針對(duì)性的有效補(bǔ)償方法，這就影響了大氣偏振信息檢測 結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
一方面，由于四個(gè)通道的偏振光感知與轉(zhuǎn)換等單元中的物理器件的信號(hào)響應(yīng)特性不可能 完全一致，導(dǎo)致四個(gè)信號(hào)通道傳輸特性不同，造成運(yùn)算與放大后電信號(hào)存在加性漂移誤差分 量；另一方面，由于兩路運(yùn)算與放大電路的傳輸特性不可能完全相同，造成運(yùn)算與放大后的 電信號(hào)存在乘性幅值誤差；最后，檢測裝置中各通道的物理器件同樣存在熱噪聲、元件噪聲 等物理噪聲，以及不同環(huán)境下的環(huán)境光噪聲，這些噪聲都會(huì)使檢測裝置獲得的大氣偏振模式 信息存在著不確定的隨機(jī)噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種四通道大氣偏振信息檢測傳 感器信號(hào)處理與補(bǔ)償方法，以滿足對(duì)于大氣偏振信息檢測的準(zhǔn)確性與可靠性的要求問題。 本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
四通道大氣偏振信息檢測傳感器信號(hào)處理與補(bǔ)償方法，其特征是按如下過程進(jìn)行 ' 釆用逐級(jí)信號(hào)處理的方法，首先，利用四通道大氣偏振信息檢測傳感器，獲得四個(gè)通道
的偏振光信號(hào)分別是凡、&、 g，和&，有
尸 二"u/(l + t/cos2(y(l)
尸12 = w12/(l + "。s2(y _-12)) (2)
尸21 = M21/(l + "os2(^-^21)) (3)
尸22 = w22/(l +(^c。s2(y--22)) (4)
式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中的" 、 "12、 "21和"22分別為所述傳感器中四個(gè)通道. 的偏振感知器對(duì)特定波段光的傳輸響應(yīng)系數(shù)，/為歸一化光強(qiáng)系數(shù)，^為大氣偏振模式中偏 振度信息，^為大氣偏振模式中偏振化方向信息，即檢測時(shí)刻的太陽方位角，^、《2、 021 和022分別為四個(gè)通道的偏振感知器的起始偏振感知方向，且有^二;r/2、 H2i=;r/2、 0《-^ <tt/2;
所述四個(gè)通道的偏振感知器輸出的偏振光信號(hào)i^、 ^、尸2,和尸22分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后輸出的模擬量電信號(hào)分別是/,,、 /12、 /21和/22，有
<formula>formula see original document page 7</formula>
(5)
<formula>formula see original document page 7</formula>(6)
<formula>formula see original document page 7</formula>(7)
<formula>formula see original document page 7</formula>(8)
式(5)、式(6)、式(7)和式(8)中的m,，、 w12、 《721和附22分別為四個(gè)通道的光電轉(zhuǎn)換 器的傳輸響應(yīng)系數(shù)，/u:WuXw"、 /12=ot12xw12、 /21 = m21 xw21禾口/22 為偏振感知器
與光電轉(zhuǎn)換器的合傳輸系數(shù)；
所述四個(gè)通道的光電轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量電信號(hào)/,,、 /12、 /21和/22，以兩個(gè)通道為一組，
分別經(jīng)對(duì)數(shù)運(yùn)算單元，輸出的模擬量電信號(hào)分別是G,和《，有
<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>(9)
<formula>formula see original document page 7</formula>(10)
式(9)和式(10)中，<formula>formula see original document page 7</formula>
和<formula>formula see original document page 7</formula>
即是由于傳感器中四
個(gè)通道的偏振光感知器與光電轉(zhuǎn)換器的信號(hào)響應(yīng)特性不一致所造成的加性漂移誤差分量；
所述兩路對(duì)數(shù)運(yùn)算單元輸出的模擬量電信號(hào)G,和《，分別經(jīng)兩路運(yùn)算與放大單元，輸
出的模擬量電信號(hào)為《'和《，有:
<formula>formula see original document page 7</formula>(11)
(12)
<formula>formula see original document page 7</formula>式(11)和式(12)中，^和^分別為兩路運(yùn)算與放大單元的傳輸響應(yīng)系數(shù)，^和^的不同
造成了運(yùn)算與放大單元后輸出的模擬量電信號(hào)存在乘性幅值誤差，&log
12
和<formula>formula see original document page 7</formula>就是運(yùn)算與放大單元后輸出模擬量電信號(hào)中的被放大了的加性漂移誤差分量； 針對(duì)加性漂移誤差分量和乘性幅值誤差，按以下方式進(jìn)行硬補(bǔ)償
所述硬補(bǔ)償是在運(yùn)算與放大過程中，調(diào)節(jié)兩路運(yùn)算與放大單元中的放大反饋參數(shù)，用以 補(bǔ)償兩路運(yùn)算與放大單元中由于&和&的不同所造成的乘性幅值誤差，使得經(jīng)過兩路運(yùn)算與
放大單元后的模擬量電信號(hào)的幅值相等；在運(yùn)算與放大過程中，調(diào)節(jié)兩路運(yùn)算與放大單元中
的基準(zhǔn)電平信號(hào)，用以補(bǔ)償/t,log
和& log
21
22
所造成的加性漂移誤差分量，使得經(jīng)過
兩路運(yùn)算與放大單元后的模擬量電信號(hào)最大最小值調(diào)諧至零對(duì)稱，經(jīng)過硬補(bǔ)償后的兩路運(yùn)算
與放大單元輸出的模擬量電信號(hào)分別為巧和《，有
F2W) = log
1 + t/cos(2-) 1 — cos(2^)
1 + <i cos(2^ _ 2^Q)
(13)
(14)
1 一 d cos(2卩_ 2-o)
硬補(bǔ)償后的模擬量電信號(hào)《和《，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電信號(hào)；對(duì)于所
述數(shù)字量電信號(hào)，若誤差超過規(guī)定的閾值，再按以下方法進(jìn)行軟補(bǔ)償
所述軟補(bǔ)償是當(dāng)檢測數(shù)據(jù)中的誤差超過規(guī)定的閾值時(shí)，則啟動(dòng)軟補(bǔ)償，所述軟補(bǔ)償為自' 適應(yīng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)過程，首先，傳感器以自體中心為軸，勻速旋轉(zhuǎn)不少于360度，在旋轉(zhuǎn)過程中 等間隔采樣，獲取兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的釆樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算， 分別計(jì)算出兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元之間的信號(hào)總體誤差影響因子，總體誤差影響因子包括均值誤 差比和峰值誤差比，在實(shí)際檢測過程中利用總體誤差影響因子對(duì)兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù) 字量電信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償與調(diào)整，用以抵消數(shù)字量電信號(hào)中存在的漂移誤差分量和 幅值誤差，用以抵消由于傳感器各通道逐級(jí)物理器件的信號(hào)響應(yīng)與傳輸特性不同所造成的傳 感器各通道信號(hào)的漂移誤差分量和幅值誤差，以及由于傳感器的物理噪聲和環(huán)境光噪聲所引 起的隨機(jī)噪聲，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換單元所獲得的數(shù)字量電信號(hào)的檢測精度與穩(wěn)定性；
最后，獲得的數(shù)字量電信號(hào)進(jìn)行大氣偏振模式信息處理，得到大氣偏振模式的偏振度信-
息t/和偏振化方向信息^，艮P:
(1 —2F2(0)) —(1 —2^W))cos(20。)'
j 1
- = — arctan 2
l-2輛)sin(2-。)
(15)
8d = —2^W))2+((1 —2^0))-(l — 2^W))cos(2八))/sin2(20。) (16) 式(15)和式(16)中的^^)和戸2⑨是式(13)和式(14)中的《0)和《W)由S型函數(shù)
^W)= 丄進(jìn)行去對(duì)數(shù)處理后而得到。
本發(fā)明方法是對(duì)大氣偏振信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行逐級(jí)處理，在逐級(jí)處理過程中， 通過硬補(bǔ)償和軟補(bǔ)償兩種分級(jí)的補(bǔ)償方法，對(duì)傳感器逐級(jí)信號(hào)的誤差和噪聲進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償與 匹配，使得由于傳感器各通道逐級(jí)物理器件的信號(hào)響應(yīng)與傳輸特性不同所造成的傳感器各通 道信號(hào)的漂移誤差分量和幅值誤差，以及由于傳感器的物理噪聲和環(huán)境光噪聲，所引起的隨 機(jī)噪聲，得到有效的一致性補(bǔ)償和抑制。首先，通過傳感器中的偏振光感知器感知蘊(yùn)涵著大 氣偏振模式的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成模擬量電信號(hào)，分別將每路中的兩個(gè)通道的模擬量電信號(hào)進(jìn) 行對(duì)數(shù)運(yùn)算，再對(duì)兩路對(duì)數(shù)運(yùn)算后的模擬量電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算與放大，在運(yùn)算與放大過程中， 針對(duì)兩路模擬量電信號(hào)中存在的加性漂移誤差分量和乘性幅值誤差，進(jìn)行硬補(bǔ)償，補(bǔ)償漂移 誤差分量和幅值誤差對(duì)傳感器運(yùn)算與放大后的模擬量電信號(hào)的影響，使之達(dá)到一致性輸出。 硬補(bǔ)償后的運(yùn)算與放大的模擬量電信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將模擬量電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電 信號(hào)，再根據(jù)實(shí)際檢測精度要求，當(dāng)數(shù)字量電信號(hào)中的誤差超過規(guī)定的閾值，則啟動(dòng)軟補(bǔ)償， 針對(duì)硬補(bǔ)償未完全抵消的漂移誤差分量和幅值誤差，以及由于傳感器物理器件包括熱噪聲、 元件噪聲在內(nèi)的物理噪聲，以及不同環(huán)境下的環(huán)境光噪聲所造成的隨機(jī)噪聲，利用信號(hào)的總 體誤差影響因子，進(jìn)行自適應(yīng)的補(bǔ)償，最終得到有效的傳感器輸出，通過對(duì)獲得的數(shù)字量電 信號(hào)進(jìn)行大氣偏振模式信息處理，得到大氣偏振模式信息。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體在
1、 己有技術(shù)不能滿足大氣偏振信息檢測的準(zhǔn)確性與可靠性的要求，本發(fā)明提出一種四 通道的大氣偏振信息檢測傳感器的信號(hào)處理與補(bǔ)償方法。該方法利用逐級(jí)的信號(hào)處理方法， 對(duì)傳感器的誤差進(jìn)行逐級(jí)的控制與補(bǔ)償，在逐級(jí)處理過程中，通過硬補(bǔ)償和軟補(bǔ)償兩種分級(jí) 的補(bǔ)償方法，對(duì)傳感器逐級(jí)的檢測信號(hào)進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償與匹配，使得由于傳感器各通道逐級(jí)物 理器件的信號(hào)響應(yīng)與傳輸特性不同所造成的傳感器各通道逐級(jí)信號(hào)漂移誤差分量和幅值誤 差，以及由于傳感器的物理噪聲和環(huán)境光噪聲，所引起的隨機(jī)噪聲，得到有效的一致性補(bǔ)償 和抑制，提高了傳感器的檢測精度與檢測可靠性。
2、 針對(duì)傳感器模擬量檢測信號(hào)中含有的加性漂移誤差分量和乘性幅值誤差，本發(fā)明在 傳感器信號(hào)處理中的運(yùn)算與放大單元，對(duì)運(yùn)算與放大單元采用硬補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過調(diào)節(jié)兩路 運(yùn)算與放大單元中的放大反饋參數(shù)，補(bǔ)償檢測信號(hào)中含有的乘性幅值誤差，使得經(jīng)過兩路運(yùn)算與放大單元后的模擬量電信號(hào)的幅值相等；在運(yùn)算與放大單元，通過調(diào)節(jié)兩路運(yùn)算與放大
單元中的基準(zhǔn)電平信號(hào)，補(bǔ)償檢測信號(hào)中含有的加性漂移誤差分量，使得經(jīng)過兩路運(yùn)算與放 大單元后的模擬量電信號(hào)最大最小值調(diào)諧至零對(duì)稱。通過引入硬補(bǔ)償方法，使得傳感器檢測
信號(hào)達(dá)到了一致性輸出。
3、 針對(duì)傳感器數(shù)字量檢測信號(hào)中含有的不確定的隨機(jī)噪聲，以及殘存的漂移誤差分量
和幅值誤差，本發(fā)明在對(duì)傳感器模擬量檢測信號(hào)進(jìn)行在硬補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)中的誤 差超過規(guī)定的閾值時(shí)，引入軟補(bǔ)償方法，計(jì)算并利用信號(hào)的總體誤差因子，對(duì)實(shí)時(shí)檢測信號(hào) 采用自適應(yīng)的補(bǔ)償方法，進(jìn)一步減小了傳感器信號(hào)中的漂移誤差分量、幅值誤差以及隨機(jī)噪 聲，使得補(bǔ)償后的傳感器檢測結(jié)果盡可能逼近理想狀態(tài)下的信號(hào)，有效降低了整個(gè)傳感器系 統(tǒng)中物理噪聲以及實(shí)時(shí)檢測中的環(huán)境光噪聲，進(jìn)一步提高了傳感器檢測結(jié)果的精確性和可靠 性。
4、 本發(fā)明方法簡單有效，在實(shí)際檢測實(shí)驗(yàn)中能夠明顯提高傳感器檢測的精確性和可靠 性。例如，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為合肥工業(yè)大學(xué)，時(shí)間為2008年9月27日，天氣晴好，無云條件下的 檢測實(shí)驗(yàn)中，傳感器勻速旋轉(zhuǎn)360度，進(jìn)行每間隔5度采樣傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出
結(jié)果，當(dāng)未進(jìn)行任何補(bǔ)償情況下，偏振化方向信息^檢測結(jié)果的絕對(duì)檢測誤差為1.2839度；
當(dāng)在運(yùn)算與放大單元中引入硬補(bǔ)償后，偏振化方向信息-檢測結(jié)果的絕對(duì)檢測誤差下降到 0.3597度；當(dāng)在硬補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，再引入了軟補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)補(bǔ)償方法，進(jìn)一步降低了傳感器 輸出結(jié)果誤差，傳感器的檢測結(jié)果基本逼進(jìn)理想狀態(tài)下的輸出結(jié)果，偏振化方向信息-檢測-結(jié)果的絕對(duì)檢測誤差僅為0.2964度。


圖1為本發(fā)明中傳感器信號(hào)處理與補(bǔ)償方法總體框圖。
圖2為本發(fā)明中傳感器信號(hào)軟補(bǔ)償方法流程圖。
圖3為理想情況下傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A和B的輸出。
圖4為理想情況下偏振化方向信息0的結(jié)果。
圖5為在未補(bǔ)償?shù)膶?shí)際情況下，傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A和B的輸出。
圖6為在未補(bǔ)償?shù)膶?shí)際情況下偏振化方向信息-的結(jié)果。
圖7為本發(fā)明中硬補(bǔ)償后的傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A和B的輸出。
圖8為本發(fā)明中硬補(bǔ)償后的偏振化方向信息0的結(jié)果。圖9為本發(fā)明中軟補(bǔ)償后的傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A和B的輸出。 圖10為本發(fā)明中軟補(bǔ)償后的偏振化方向信息^的結(jié)果。
以下通過具體實(shí)施方式
，并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本實(shí)施例四通道大氣偏振信息檢測傳感器信號(hào)處理與補(bǔ)償方法過程如下
利用四通道大氣偏振信息檢測傳感器，獲得四個(gè)通道的偏振光信號(hào)分別是A、 4、尸2
和尸22，有
Pn = /(l + <icos2(y(1)
尸12 = 12/(l + "os2(y U) (2)
尸21 = w21/(l + dcos2(y-^21)) (3)
尸22 = w22/(l + "os2(y--22)) (4)
式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中的" 、 "12、 "21和"22分別為傳感器中四個(gè)通道的偏 振感知器對(duì)特定波段光的傳輸響應(yīng)系數(shù)，/為歸一化光強(qiáng)系數(shù)，"為大氣偏振模式中偏振度 信息，^為大氣偏振模式中偏振化方向信息，即檢測時(shí)刻的太陽方位角，A?！?、 021和^22 分別為四個(gè)通道的偏振感知器的起始偏振感知方向，且有^^;r/2、 022-^1=;r/2、 0 <— A < ;r/2;
四個(gè)通道的偏振感知器輸出的偏振光信號(hào)^、 ^、尸21和尸22分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后輸出
的模擬量電信號(hào)分別是/,,、 /12、 /21和/22，有
/n = mn《,=/u/(l + c/cos2(y -(5)
/12 =附'2尸12 = /12/(l + <i cos2(y-^12)) (6)
、=,A = V(l + "os2(y --21)) (7)
/22 =附22尸22 = /22/ (1 + cos 2 (- - -22)) (8)
式(5)、式(6)、式(7)和式(8)中的Wu、 m,2、 w21和w22分別為四個(gè)通道的光電轉(zhuǎn)換'
器的傳輸響應(yīng)系數(shù)，/n:w,x 、/12=w12x^2、 /21 = "21禾卩/22 =附22乂《22為偏振感矢口器與光電轉(zhuǎn)換器的合傳輸系數(shù)；
四個(gè)通道的光電轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量電信號(hào)/u、 /12、 /21和/22，以兩個(gè)通道為一組，分.
別經(jīng)對(duì)數(shù)運(yùn)算單元，輸出的模擬量電信號(hào)分別是G,和G,，有
，)=log
^12 乂
+ log
1 + d cos(2-) 1 一 d cos(2-)
G2W) = log
21
'22
+ log
1 + <i cos(2^ - 2-。) 1 _ cos(2^ - )
(9)
(10)
式(9)和式(10)中，0 <-。 = — ^< ;r/2 ， log M禾口 log
12
/，
22
即是由于傳感器中四
個(gè)通道的偏振光感知器與光電轉(zhuǎn)換器的信號(hào)響應(yīng)特性不一致所造成的加性漂移誤差分量；
兩路對(duì)數(shù)運(yùn)算單元輸出的模擬量電信號(hào)G,和《，分別經(jīng)兩路運(yùn)算與放大單元，輸出的'
模擬量電信號(hào)為f'和C有
，)=A log
、"乂
+ & log
F2'W) = A2 log
21
、^22
+ A2 kg
l + dcos(20) l一 <i cos(20)
1 + <i cos(2^ _ 20。)
(11)
(12)
1 — <i cos(2^i — 20o)
式(11)和式(12)中，A和^分別為兩路運(yùn)算與放大單元的傳輸響應(yīng)系數(shù)，yt,和&的不同
造成了運(yùn)算與放大單元后輸出的模擬量電信號(hào)存在乘性幅值誤差，/Mog
廣/ 、
111 、^2
和A:2 log
/，
22
就是運(yùn)算與放大單元后輸出模擬量電信號(hào)中的被放大了的加性漂移誤差分量； 針對(duì)加性漂移誤差分量和乘性幅值誤差，按以下方式進(jìn)行硬補(bǔ)償
硬補(bǔ)償是在運(yùn)算與放大過程中，調(diào)節(jié)兩路運(yùn)算與放大單元中的放大反饋參數(shù)，例如，可 以利用精密調(diào)配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行粗調(diào)補(bǔ)償，用以補(bǔ)償兩路運(yùn)算與放大單元中由于A,和&的不同所
造成的乘性幅值誤差，使得經(jīng)過兩路運(yùn)算與放大單元后的模擬量電信號(hào)的幅值相等；在運(yùn)算 與放大過程中，調(diào)節(jié)兩路運(yùn)算與放大單元中的基準(zhǔn)電平信號(hào)，例如，可以利用精密電阻網(wǎng)絡(luò)，
調(diào)控運(yùn)算與放大單元中的參考電源基準(zhǔn)，用以補(bǔ)償《bg
12 .
和& log
/，
22
所造成的加性漂
移誤差分量，使得經(jīng)過兩路運(yùn)算與放大單元后的模擬量電信號(hào)最大最小值調(diào)諧至零對(duì)稱。因-
12此，經(jīng)過硬補(bǔ)償后的兩路運(yùn)算與放大單元，輸出的模擬量電信號(hào)分別為^和《，有:
<formula>formula see original document page 13</formula>(13)
(14)
<formula>formula see original document page 13</formula>
硬補(bǔ)償后的模擬量電信號(hào)《和《，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電信號(hào)；對(duì)于數(shù)
字量電信號(hào)，若誤差超過規(guī)定的閾值，再按以下方法進(jìn)行軟補(bǔ)償-
硬補(bǔ)償后的模擬量電信號(hào)《和《，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電信號(hào)；對(duì)于數(shù)
字量電信號(hào)，若誤差超過規(guī)定的閾值，則啟動(dòng)軟補(bǔ)償，進(jìn)行自適應(yīng)的補(bǔ)償與調(diào)整；
最后，獲得的數(shù)字量電信號(hào)進(jìn)行大氣偏振模式信息處理，得到大氣偏振模式的偏振度信
息c/和偏振化方向信息^，即
<formula>formula see original document page 13</formula>(15)
<formula>formula see original document page 13</formula> (16)
式(15)和式(16)中的巧W)和巧W)是式(13)和式(14)中的《^)和尸2(^)由S型函數(shù) 1
，=-
進(jìn)行去對(duì)數(shù)處理后而得到<
10，+1
參見圖2，當(dāng)兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A和B的檢測數(shù)據(jù)中的誤差超過規(guī)定的閾值時(shí)，啟動(dòng)軟 補(bǔ)償，軟補(bǔ)償為自適應(yīng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)過程。首先，傳感器以自體中心為軸，勻速旋轉(zhuǎn)不少于360 度，在旋轉(zhuǎn)過程中，等間隔采樣，獲取兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)所有采樣點(diǎn)數(shù). 據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，分別計(jì)算出兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元之間的信號(hào)總體誤差影響因子，總體誤差 影響因子包括均值誤差比和峰值誤差比，在實(shí)際檢測過程中利用總體誤差影響因子對(duì)兩路模 數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù)字量電信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償與調(diào)整，用以抵消由于傳感器各通道
逐級(jí)物理器件的信號(hào)響應(yīng)與傳輸特性不同所造成的傳感器各通道信號(hào)的漂移誤差分量和幅 值誤差，以及由于傳感器的物理噪聲和環(huán)境光噪聲所引起的隨機(jī)噪聲，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換單元所 獲得的數(shù)字量電信號(hào)的檢測精度與穩(wěn)定性。
圖3所示為理想情況下傳感器勻速旋轉(zhuǎn)360度，進(jìn)行連續(xù)采樣下的傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換 單元的輸出結(jié)果?？梢钥闯?，在理想情況下，傳感器勻速旋轉(zhuǎn)360度，兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的
結(jié)果是具有一定相位差的標(biāo)準(zhǔn)的余弦曲線，兩路信號(hào)的始相差為0。 圖3及以下各圖中均取初始相位差為60度。
圖4所示是對(duì)圖3所示的理想情況下傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出結(jié)果進(jìn)行大氣偏振
模式信息處理，得到大氣偏振模式的偏振化方向信息^的結(jié)果。由于大氣偏振信息中的偏振
化方向受天氣、云層等影響較小，魯棒性較好，偏振化方向可以用于機(jī)器人的自主導(dǎo)航中的'
方向定位，因此只討論偏振化方向信息^的結(jié)果，不討論偏振度信息c/的結(jié)果?？梢钥闯隼?br> 想情況下，傳感器勻速旋轉(zhuǎn)360度，偏振化方向信息^的結(jié)果是斜率為1的兩個(gè)周期的直線 信號(hào)。
圖5所示為傳感器的一組實(shí)際檢測結(jié)果，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為合肥工業(yè)大學(xué)，時(shí)間為2008年9 月27日15點(diǎn)至I6點(diǎn)，天氣晴好，無云，是傳感器勻速旋轉(zhuǎn)360度，進(jìn)行每間隔5度采樣 下的傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果，可以看出由于未對(duì)傳感器進(jìn)行任何的補(bǔ)償和配準(zhǔn)，由 于四個(gè)通道中的偏振光感知器與光電轉(zhuǎn)換器等物理器件的信號(hào)響應(yīng)特性不一致所造成的加
性漂移誤差分量log >和log
/，-
,21 V厶2
，漂移誤差分量再經(jīng)過兩路傳輸特性不完全相同的運(yùn)算.
與放大單元后形成了放大后的漂移誤差分量Alog ，和&log
乂2 J
21
22 ■
，漂移誤差分量使得傳
感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果偏離了零對(duì)稱線。同時(shí)，由于此傳感器中兩路運(yùn)算與放大單元 的傳輸特性不完全相同，造成了傳感器信號(hào)的乘性幅值誤差，幅值誤差使得傳感器兩路模數(shù)
、、
轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果的幅值不再相等。圖5中，A路放大后的漂移誤差分量yt,log
等于
-202.7568毫伏，B路放大后的漂移誤差分量& log
22
等于157.3681毫伏；A路和B路的
幅值誤差比等于0.8355，其中，理想狀態(tài)下幅值誤差比為1。
圖6所示是對(duì)圖5所示在未進(jìn)行任何補(bǔ)償策略下，傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出結(jié)果，
進(jìn)行大氣偏振模式信息處理，得到偏振化方向信息^的結(jié)果。由傳感器信號(hào)未進(jìn)行任何的補(bǔ)
償，傳感器信號(hào)中的誤差分量嚴(yán)重影響了傳感器的檢測結(jié)果，未進(jìn)行任何補(bǔ)償?shù)钠窕较?br> 信息^的檢測結(jié)果與理論的檢測結(jié)果相差較大，偏振化方向信息^檢測結(jié)果的絕對(duì)檢測誤差
為1.2839度。
圖7所示為傳感器的一組實(shí)際檢測結(jié)果，實(shí)驗(yàn)外部條件，包括地點(diǎn)、時(shí)向和天氣情況同
圖5，傳感器勻速旋轉(zhuǎn)360度，進(jìn)行每間隔5度采樣，并在傳感器信號(hào)處理中的運(yùn)算與放大單元，對(duì)運(yùn)算與放大單元采用硬補(bǔ)償方法下的兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出結(jié)果?？梢钥闯鲇捎?引入了硬補(bǔ)償?shù)姆椒?，基本抵消了傳感器輸出結(jié)果中的漂移誤差分量和幅值誤差，圖7中， A路殘存的漂移誤差分量為-11.1256毫伏，B路殘存的漂移誤差分量為14.2471毫伏；A路 和B路殘存的幅值誤差比等于0.9883。
參見圖8，是對(duì)圖7所示在進(jìn)行硬補(bǔ)償策略下，傳感器兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出結(jié)果，
進(jìn)行大氣偏振模式信息處理，得到偏振化方向信息^的結(jié)果?？梢钥闯鲇捎谝肓擞惭a(bǔ)償?shù)?br> 粗調(diào)補(bǔ)償策略，明顯降低了檢測結(jié)果的誤差，傳感器的偏振化方向信息-的檢測結(jié)果與理論
的檢測結(jié)果基本一致，偏振化方向信息^檢測結(jié)果的絕對(duì)檢測誤差為0.3597度。
參見圖9和圖10，是在圖7和圖8所示在硬補(bǔ)償基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟補(bǔ)償策略后的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果，可以看出由于在硬補(bǔ)償?shù)拇终{(diào)補(bǔ)償策略基礎(chǔ)上，再引入了軟補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)細(xì)調(diào)補(bǔ)償策略， 進(jìn)一歩降低了傳感器輸出結(jié)果誤差，傳感器的檢測結(jié)果基本逼進(jìn)理想狀態(tài)下的輸出結(jié)果，偏 振化方向信息^檢測結(jié)果的絕對(duì)檢測誤差僅為0.2964度。
權(quán)利要求
1、四通道大氣偏振信息檢測傳感器信號(hào)處理與補(bǔ)償方法，其特征是按如下過程進(jìn)行采用逐級(jí)信號(hào)處理的方法，首先，利用四通道大氣偏振信息檢測傳感器，獲得四個(gè)通道的偏振光信號(hào)分別是P11、P12、P21和P22，有P11＝n11I(1+d cos 2(φ-φ11)) (1)P12＝n12I(1+d cos 2(φ-φ12)) (2)P21＝n21I(1+d cos 2(φ-φ21)) (3)P22＝n22I(1+d cos 2(φ-φ22)) (4)式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中的n11、n12、n21和n22分別為所述傳感器中四個(gè)通道的偏振感知器對(duì)特定波段光的傳輸響應(yīng)系數(shù)，I為歸一化光強(qiáng)系數(shù)，d為大氣偏振模式中偏振度信息，φ為大氣偏振模式中偏振化方向信息，即檢測時(shí)刻的太陽方位角，φ11、φ12、φ21和φ22分別為四個(gè)通道的偏振感知器的起始偏振感知方向，且有φ12-φ11＝π/2、φ22-φ21＝π/2、0<φ21-φ11<π/2；所述四個(gè)通道的偏振感知器輸出的偏振光信號(hào)P11、P12、P21和P22分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后輸出的模擬量電信號(hào)分別是I11、I12、I21和I22，有I11＝m11P11＝l11I(1+d cos 2(φ-φ11)) (5)I12＝m12P12＝l12I(1+d cos 2(φ-φ12)) (6)I21＝m21P21＝l21I(1+d cos 2(φ-φ21)) (7)I22＝m22P22＝l22I(1+d cos 2(φ-φ22)) (8)式(5)、式(6)、式(7)和式(8)中的m11、m12、m21和m22分別為四個(gè)通道的光電轉(zhuǎn)換器的傳輸響應(yīng)系數(shù)，l11＝m11×n11、l12＝m12×n12、l21＝m21×n21和l22＝m22×n22為偏振感知器與光電轉(zhuǎn)換器的合傳輸系數(shù)；所述四個(gè)通道的光電轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量電信號(hào)I11、I12、I21和I22，以兩個(gè)通道為一組，分別經(jīng)對(duì)數(shù)運(yùn)算單元，輸出的模擬量電信號(hào)分別是G1和G2，有式(9)和式(10)中，0<φ0＝φ21-φ11<π/2，和即是由于傳感器中四個(gè)通道的偏振光感知器與光電轉(zhuǎn)換器的信號(hào)響應(yīng)特性不一致所造成的加性漂移誤差分量；所述兩路對(duì)數(shù)運(yùn)算單元輸出的模擬量電信號(hào)G1和G2，分別經(jīng)兩路運(yùn)算與放大單元，輸出的模擬量電信號(hào)為和有式(11)和式(12)中，k1和k2分別為兩路運(yùn)算與放大單元的傳輸響應(yīng)系數(shù)，k1和k2的不同造成了運(yùn)算與放大單元后輸出的模擬量電信號(hào)存在乘性幅值誤差，和就是運(yùn)算與放大單元后輸出模擬量電信號(hào)中的被放大了的加性漂移誤差分量；針對(duì)加性漂移誤差分量和乘性幅值誤差，按以下方式進(jìn)行硬補(bǔ)償所述硬補(bǔ)償是在運(yùn)算與放大過程中，調(diào)節(jié)兩路運(yùn)算與放大單元中的放大反饋參數(shù)，用以補(bǔ)償兩路運(yùn)算與放大單元中由于k1和k2的不同所造成的乘性幅值誤差，使得經(jīng)過兩路運(yùn)算與放大單元后的模擬量電信號(hào)的幅值相等；在運(yùn)算與放大過程中，調(diào)節(jié)兩路運(yùn)算與放大單元中的基準(zhǔn)電平信號(hào)，用以補(bǔ)償和所造成的加性漂移誤差分量，使得經(jīng)過兩路運(yùn)算與放大單元后的模擬量電信號(hào)最大最小值調(diào)諧至零對(duì)稱，經(jīng)過硬補(bǔ)償后的兩路運(yùn)算與放大單元輸出的模擬量電信號(hào)分別為F1和F2，有硬補(bǔ)償后的模擬量電信號(hào)F1和F2，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電信號(hào)；對(duì)于所述數(shù)字量電信號(hào)，若誤差超過規(guī)定的閾值，再按以下方法進(jìn)行軟補(bǔ)償所述軟補(bǔ)償是當(dāng)檢測數(shù)據(jù)中的誤差超過規(guī)定的閾值時(shí)，則啟動(dòng)軟補(bǔ)償，所述軟補(bǔ)償為自適應(yīng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)過程，首先，傳感器以自體中心為軸，勻速旋轉(zhuǎn)不少于360度，在旋轉(zhuǎn)過程中等間隔采樣，獲取兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，分別計(jì)算出兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元之間的信號(hào)總體誤差影響因子，總體誤差影響因子包括均值誤差比和峰值誤差比，在實(shí)際檢測過程中利用總體誤差影響因子對(duì)兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù)字量電信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償與調(diào)整，用以抵消由于傳感器各通道逐級(jí)物理器件的信號(hào)響應(yīng)與傳輸特性不同所造成的傳感器各通道信號(hào)的漂移誤差分量和幅值誤差，以及由于傳感器的物理噪聲和環(huán)境光噪聲所引起的隨機(jī)噪聲，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換單元所獲得的數(shù)字量電信號(hào)的檢測精度與穩(wěn)定性；最后，獲得的數(shù)字量電信號(hào)進(jìn)行大氣偏振模式信息處理，得到大氣偏振模式的偏振度信息d和偏振化方向信息φ，即式(15)和式(16)中的<overscore>F</overscore>1(φ)和<overscore>F</overscore>2(φ)是式(13)和式(14)中的F1(φ)和F2(φ)由S型函數(shù)進(jìn)行去對(duì)數(shù)處理后而得到。
全文摘要
四通道大氣偏振信息檢測傳感器信號(hào)處理與補(bǔ)償方法，其特征是采用逐級(jí)信號(hào)處理的方法，對(duì)于來自四通道大氣偏振信息檢測傳感器的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行逐級(jí)處理，在逐級(jí)處理過程中，通過硬補(bǔ)償和軟補(bǔ)償兩種分級(jí)的補(bǔ)償方法，對(duì)傳感器逐級(jí)信號(hào)的誤差和噪聲進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償與匹配，使得由于傳感器各通道逐級(jí)物理器件的信號(hào)響應(yīng)與傳輸特性不同所造成的傳感器各通道信號(hào)的漂移誤差分量和幅值誤差，以及由于傳感器的物理噪聲和環(huán)境光噪聲，所引起的隨機(jī)噪聲，得到有效的一致性補(bǔ)償和抑制，最終得到有效的傳感器輸出，通過對(duì)獲得的數(shù)字量電信號(hào)進(jìn)行大氣偏振模式信息處理，得到準(zhǔn)確、可靠的大氣偏振模式信息。
文檔編號(hào)G01N21/21GK101441171SQ20081024623
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者潘登凱, 翊 胡, 范之國, 范寧生, 雋 高 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)