偏振光導航技術(shù)的原理是什么 復眼偏振光導航傳感器應(yīng)用

生物學家研究發(fā)現(xiàn), ?經(jīng)過數(shù)億年的進化, ?多種昆蟲都進化出了感知天空偏振光方位角并將其用于導航的奇異能力, ?以幫助其完成覓食、歸巢及遷徙等行為. ?

受到昆蟲奇特偏振光導航能力的啟發(fā), ?基于天空偏振光的天文導航技術(shù)已成為仿生導航技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點, ?研究人員已開發(fā)出多種模仿生物偏振導航結(jié)構(gòu)和機理的偏振導航傳感器, ?并且該類傳感器正朝著微型化及集成化方向發(fā)展. ?

已取得的研究成果表明該導航手段具有完全自主、誤差不隨時間累積和實時性好等優(yōu)點, ?可為無人機、交通運輸、科學研究及資源勘測等社會各領(lǐng)域提供一種行之有效的導航手段.?

導航本領(lǐng)是動物及人類生存和發(fā)展的基本能力,?如動物覓食、歸巢及長途遷徙等均依賴于其所具有的特定導航定位能力. ?從煙霧信號、天體導航到指南針、航海精密計時器再到地基無線電導航及天基無線電導航, ?導航定位技術(shù)的每次革新無不加速了人類的進步. ?

隨著信息時代的到來, ?導航定位技術(shù)越發(fā)凸顯出其重要意義, ?在軍事、交通運輸、水利水電、海洋漁業(yè)、氣象測報、國土測繪、減災救災和公共安全等領(lǐng)域具有不可替代的作用, ?牽引推動了電子、通信、機械制造、地理信息等相關(guān)產(chǎn)業(yè)和信息服務(wù)業(yè)的發(fā)展, ?產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益. ?

目前應(yīng)用較多的導航定位技術(shù)主要包括慣性導航、陸基及天基無線電(衛(wèi)星)導航和天文導航. ?慣性導航系統(tǒng)主要包括加速度計及陀螺儀, ?其通過對測量得到的加速度進行積分, ?得到被測載體的速度及位移. ?無線電導航技術(shù)通過處理接收到的無線電信號的振幅、頻率、時間和相位等信息, ?得到載體與多個無線電基站(衛(wèi)星)的相對速度及距離, ?實現(xiàn)導航定位. ?

目前全球定位系統(tǒng)(global ?positioning ?system,?GPS)、伽利略系統(tǒng)及我國的北斗系統(tǒng)等天基無線電導航系統(tǒng)的應(yīng)用已十分廣泛. ?天文導航利用對自然天體的測量來確定自身位置和航向, ?是一種完全自主的導航方式.??

與慣性導航系統(tǒng)相比, ?天文導航系統(tǒng)誤差不隨時間積累, ?而與GPS等無線電導航技術(shù)相比又不易受到欺騙、干擾和破壞. ?目前, ?現(xiàn)代天文導航系統(tǒng)主要以星敏感器、紫外月球敏感器和紅外地球敏感器作為探測部件, ?通過星圖搜索匹配技術(shù)實現(xiàn)導航定位. ?生物學家研究發(fā)現(xiàn), ?多種昆蟲經(jīng)過35億年的進化形成了精巧的復眼器官, ?具備了利用復眼偏振識別結(jié)構(gòu)感知天空偏振矢量場信息, ?獲得導航定位的能力, ?為人類研究新型自主導航器件提供了很好的模仿對象. ?

受到昆蟲奇特偏振光導航能力的啟發(fā),?國內(nèi)外多位學者通過模仿昆蟲的偏振敏感結(jié)構(gòu)及偏振導航機制, ?對仿生偏振光導航機理、方法與手段進行了大量研究, ?并開發(fā)出多種偏振導航傳感器. ?昆蟲的天空偏振光導航生物機理太陽光經(jīng)過大氣照射地表的過程中發(fā)生散射,?散射光發(fā)生極化進而形成具有規(guī)律性分布的天空偏振矢量場.?

該矢量場的分布模式主要包括偏振光方位角分布模式與偏振度分布模式. ?學者大量研究表明, ?晴朗天空下, ?天空偏振光方位角分布模式基本符合Rayleigh散射理論; ?在云、霧等氣溶膠條件下?,?相較于晴朗天空, ?由于多次散射的影響, ?天空散射光的偏振度會大幅下降, ?但偏振光方位角分布模式受天氣條件影響較小, ?基本保持穩(wěn)定.? ?

生物學家研究發(fā)現(xiàn), ?經(jīng)過35億年的進化, ?多種昆蟲、遷徙鳥類、某些兩棲類、爬行類及哺乳類中的蝙蝠都進化出了感知天空偏振光方位角并將其用于導航的奇異能力, ?以幫助其完成覓食、歸巢及遷徙等行為.?

1949年, Frisch發(fā)現(xiàn)蜜蜂可利用天空紫外偏振光進行導航, ?其后沙蟻、蟋蟀、蝗蟲、蝴蝶甚至夜行性蜣螂等昆蟲的偏振光導航能力也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn). ?生物行為學及形態(tài)學實驗研究顯示, ?具有偏振光導航能力的昆蟲, ?其復眼背部邊緣區(qū)域(dorsal rim area, DRA)內(nèi)一些排列規(guī)則的特殊小眼(圖1)對偏振光非常敏感. ?

以蝗蟲眼部DRA區(qū)域的小眼結(jié)構(gòu)為例, ?其結(jié)構(gòu)如圖2所示. ?小 眼長度在350~450 ?um, ?橫截面積只有70 ?um2左右.??

小眼由晶錐、感桿束、基膜等組成, ?晶錐主要起屈光和保護作用. ?感桿束中有數(shù)個小網(wǎng)膜細胞(或稱為感桿細胞), ?小網(wǎng)膜細胞由細胞膜向中腔伸出大量的微絨毛,?微絨毛的排列形式對光偏振處理有決定性作用. ?

基膜存在于小眼底部, ?小眼的軸突通過基膜與神經(jīng)節(jié)相聯(lián)系, ?進而對光信號進行處理. ?通 過進一步的組織學及電生理學實驗, ?研究人員發(fā)現(xiàn)一般小眼神經(jīng)感桿內(nèi)微絨毛排列雜亂無章, ?而DRA小眼神經(jīng)感桿內(nèi)微絨毛

圖3的空間排列具有軸向規(guī)則一致、徑向相互垂直的特點, ?該結(jié)構(gòu)特點不僅使視神經(jīng)細胞具有較高的偏振光敏感特性, ?并且通過神經(jīng)感桿的偏振光電矢量正交敏感結(jié)構(gòu)與中樞神經(jīng)層視神經(jīng)葉部分的偏振對立神經(jīng)元(polarization-opponent ?neurons,?POL-neurons)的協(xié)同作用, ?使昆蟲的偏振視覺系統(tǒng)具有極低的光強依賴性, ?即“弱光強化, ?強光弱化“的特點. ?

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研究發(fā)現(xiàn), ?蟋蟀具有三類POL-neurons, 其主響應(yīng)方向分別為10°, ?60°和130°(圖4), ?蟋蟀通過對三類POL-neurons輸出信號進行綜合處理, ?即可得出體軸與太陽子午線的夾角, ?從而實現(xiàn)導航功能. 同時, DRA內(nèi)眾多偏振光敏感小眼的綜合視野范圍寬廣(圖5), ?昆蟲可對視野內(nèi)的偏振信息進行整?合, ?進而增強偏振視覺系統(tǒng)的魯棒性及絕對靈敏??度, ?降低視野內(nèi)云、樹葉等干擾因素的影響, ?使其在多種天氣、光照條件下都能較好地進行偏振光導航。

高集成度仿生復眼原理無人機導航

小型無人機上的微小人造復眼是利用昆蟲的視覺系統(tǒng)原理制造而成，可以幫助小型無人機在飛行過程中即使受到周圍環(huán)境嘈雜、狹窄、雜亂的干擾，也能夠準確地避免碰撞，這也是具備實用性小型自主飛行系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。

小型無人機的研究屬于一個新興方向，近年來已經(jīng)在公共研究室和私人研究室中廣泛涉及。這些微型無人機可以執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)，也可以用于監(jiān)控災區(qū)或幫助人類運輸貨物。但目前來說，開發(fā)微型導航系統(tǒng)仍有很多工作要做，特別是對密閉空間。其中的避免碰撞仍然是微型無人機需要迎接的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，瑞士聯(lián)邦理工學院的智能系統(tǒng)實驗室主任Dario Floreano指出。

有些人試圖利用數(shù)碼相機、激光雷達等系統(tǒng)來解決這個問題，但這些系統(tǒng)過于笨重,耗能發(fā)熱嚴重(堆資源，這是典型的地面思維?？罩幸鰷p法)，而無人機需要的是一種小型、輕量級的設(shè)備，包括Floreano在內(nèi)的若干具有空中思維意識的研究人員開始以昆蟲的視角來尋找問題的答案。昆蟲這個空中老師已進化了上億年,它選擇的技術(shù)路線不容置疑，昆蟲復眼小，且空間分辨率較低，但是對光線的變化高度敏感（目標物的運動）使得它們在飛行過程中有效地避免了碰撞。

該研究團隊最近利用這一原理開發(fā)出了一種新型復眼傳感器，該傳感器只有兩毫克重，體積僅僅兩立方毫米，可以檢測出從光線很暗的室內(nèi)到光線明亮的室外的運動狀況，其檢測速度是飛蟲的3倍，F(xiàn)loreano說。

這種人造復眼是由鏡頭上的三個電子光電探測器排列成一種三角模式制備而成。通過結(jié)合單個的光電探測器進行測量，該設(shè)備可以感知物體的運動速度和方向。

處理信號的算法也已經(jīng)被研究人員開發(fā)出來，該設(shè)備可以制備成小芯片，來計算物體之間的距離或者潛在碰撞發(fā)生的時間。該團隊目前的工作重點之一是將該設(shè)備集成到小型天線平臺（如實驗室最近開發(fā)的可折疊四旋翼直升機）上。

Floreano說，現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是將多個人造復眼結(jié)合起來，迅速提高復眼集成度，安裝在無人機上，使無人機可以“看到周圍物體”，從而避免碰撞，在其飛行過程中，著陸和起飛時保持穩(wěn)定。適合無人機的大規(guī)模集成復眼重量不能超過50克，不然會降低無人機的有效載荷。

編輯：黃飛

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