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面向微光环境导航应用的等离子体透镜设计

面向微光环境导航应用的等离子体透镜设计

作者：王忠旭大连理工大学

学位级别：硕士

偏振光导航属于自主导航,误差不随时间积累,抗电磁干扰能力强,可以用来弥补现有的应用广泛的各种导航技术的弊端,通过与现有导航技术组合提高导航系统的整体性能,以适应更复杂,更多样的导航要求。在此背景下,基于偏振光的导航原理及应... 详细信息

偏振光导航属于自主导航,误差不随时间积累,抗电磁干扰能力强,可以用来弥补现有的应用广泛的各种导航技术的弊端,通过与现有导航技术组合提高导航系统的整体性能,以适应更复杂,更多样的导航要求。在此背景下,基于偏振光的导航原理及应用得到了广泛的研究,现有的偏振光导航方法可以为载体提供准确、稳定的导航信息,但其应用场景目前还限制在晴朗的白天等非微光环境,能否解决现有的相对成熟的偏振光导航系统无法在微光环境下应用的问题,实现偏振光导航的全天候应用,很大程度上决定了这种新型导航技术的未来。本文将在已进行过实验验证的偏振光导航系统的基础上,针对导航系统中的关键器件——偏振光导航传感器,设计一种能够兼容传感器偏振敏感功能的聚焦器件,以实现导航系统未来在微光环境下的应用。首先,本文对聚焦光学器件的发展历程进行了系统的阐述,指出了第一代传统光学器件和第二代二元光学器件无法满足导航传感器在微光环境下应用的各项要求,并结合二元光学器件的原理,为偏振光导航传感器设计了相应的微透镜阵列,通过实验验证了微透镜阵列无法满足需求。同时,本文分析了第三代平面纳米金属透镜可以作为拓展偏振光传感器在微光环境下应用的光学器件的可行性和优势,并对其原理和各项参数进行了系统的阐述和分析。其次,本文根据平面纳米金属透镜的相位调控原理,结合偏振光传感器的核心部件——亚波长纳米金属光栅,设计了能够与传感器兼容的纳米金属光栅偏振聚光器,并对结构关键参数:狭缝宽度和金属层高度进行了系统的参数设计,并采用时域有限差分(FDTD)方法,对聚光器的结构参数进行了数值模拟,通过对聚光器光场分布的优化分析,给出了各参数对焦点位置和聚焦效果的影响规律,同时求解了结构的TM光的透射率,计算了结构的消光比。最后,对一系列结构的数值模拟结果进行了系统的分析,最优结构的焦点位置位于偏振聚光器光出口2798nm,光强值提高到了16倍。在450nm的偏振光导航器敏感波段其透射率约为63%。本文提出的新型纳米金属光栅偏振聚光器,兼容了原有相对成熟的导航传感器的偏振敏感功能,同时实现了对微光的聚焦功能,为未来微纳偏振导航器件的光学设计与集成制造提供了有效的参考。

关键词：聚焦偏振视觉偏振器纳米金属光栅时域有限差分方法

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亚波长纳米金属光栅偏振聚光器设计

传感器与微系统 2019年第6期38卷 70-74页

作者：关乐王忠旭李世奇刘胜崔岩褚金奎大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室辽宁大连116023 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室辽宁大连116023

为有效利用白天和夜晚的全天候偏振光信息,进一步拓展偏振光导航系统在微光环境下的应用,基于昆虫复眼的偏振视觉仿生原理,设计了一种亚波长光栅式平面金属聚光透镜结构,可以在保证偏振信息采集的同时实现微光环境中光的聚焦增强。基于... 详细信息

为有效利用白天和夜晚的全天候偏振光信息,进一步拓展偏振光导航系统在微光环境下的应用,基于昆虫复眼的偏振视觉仿生原理,设计了一种亚波长光栅式平面金属聚光透镜结构,可以在保证偏振信息采集的同时实现微光环境中光的聚焦增强。基于表面等离子体激元光学理论,利用具有特定变化规律的变间距w和变高度d的纳米金属光栅阵列结构,设计了一种新型亚波长纳米金属光栅偏振聚光器。采用时域有限差分(FDTD)方法,对聚光器的结构参数进行了数值模拟,通过对聚光器光场分布的优化分析,给出了各参数对焦点位置和聚焦效果的影响规律,同时求解了TM光的透射率。其中最优结构的焦点位置位于偏振聚光器光出口2 798 nm,光强值提高到了16倍。在450 nm的偏振光导航器敏感波段其透射率约为63%。提出的新型金属光栅偏振聚光器结构为未来微纳偏振导航器件的光学设计与集成制造提供了有效的参考。

关键词：聚焦偏振视觉偏振器纳米金属光栅时域有限差分方法

铜绿丽金龟对圆偏振光的行为和视网膜电位反应

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昆虫学报 2013年第12期56卷 1397-1403页

作者：蒋月丽郭予元武予清苗进巩中军段云李彤西北农林科技大学植物保护学院陕西杨陵712100 河南省农业科学院植物保护研究所河南省农作物病虫害防治重点实验室农业部华北南部有害生物治理重点实验室郑州450002 中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室北京100193

圆偏振光在地球环境中是很少见的,来自珠宝金龟甲体壁反射圆偏振光是稀有的自然资源之一。铜绿丽金龟Anomala corpulenta Motschulsky与其他珠宝金龟甲一样其体壁能够反射左旋圆偏振光。为了解铜绿丽金龟对圆偏振光的感知能力,本研究利... 详细信息

圆偏振光在地球环境中是很少见的,来自珠宝金龟甲体壁反射圆偏振光是稀有的自然资源之一。铜绿丽金龟Anomala corpulenta Motschulsky与其他珠宝金龟甲一样其体壁能够反射左旋圆偏振光。为了解铜绿丽金龟对圆偏振光的感知能力,本研究利用室内行为、田间诱集与视网膜电位(electroretinogram,ERG)等方法研究了铜绿丽金龟对圆偏振光的响应。室内行为研究结果表明,铜绿丽金龟对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的趋光反应明显低于非偏振光,避光反应明显大于非偏振光,且对左旋圆偏振光的趋、避光反应均大于右旋圆偏振光。田间选择试验结果显示,铜绿丽金龟对左旋和右旋圆偏振光的选择明显低于非偏振光,且右旋大于左旋圆偏振光。电生理学研究结果表明,左旋和右旋圆偏振光与非偏振光一样,均能引发铜绿丽金龟的ERG反应,且无明显差异。这些研究结果表明铜绿丽金龟体壁能够反射产生左旋圆偏振光,且能够感知和区分左旋和右旋圆偏振光,说明铜绿丽金龟存在偏振视觉,具有圆偏振光敏感性。

关键词：铜绿丽金龟圆偏振光偏振视觉趋光行为视网膜电位

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基于偏振信息的水体障碍物检测方法

浙江大学学报（工学版） 2007年第11期41卷 1834-1838页

作者：谢斌项志宇潘华东刘济林浙江大学信息与电子工程学系浙江杭州310027

将光的偏振概念引入机器视觉领域,并应用于智能机器人野外导航中水体障碍物的检测.该方法基于如下物理准则:非偏振光通过平滑水面反射后成为部分线性偏振光,其偏振相位相对周围环境具有更大的相似性.通过综合比较偏振度的大小和偏振相... 详细信息

将光的偏振概念引入机器视觉领域,并应用于智能机器人野外导航中水体障碍物的检测.该方法基于如下物理准则:非偏振光通过平滑水面反射后成为部分线性偏振光,其偏振相位相对周围环境具有更大的相似性.通过综合比较偏振度的大小和偏振相位的相似性,可以检测出场景中的水体障碍物.实验结果表明,该方法对复杂自然环境下水体障碍物的检测,特别是包含周围植物倒影的水体部分的检测具有良好的效果.与传统机器视觉方法相比,偏振视觉手段计算简单,可以与现有图像处理技术结合使用.

关键词：偏振相位水面检测图像处理偏振视觉

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昆虫对偏振光的响应及感受机理研究进展

昆虫学报 2012年第2期55卷 226-232页

作者：蒋月丽郭予元武予清段云苗进巩中军李彤河南省农业科学院植物保护研究所河南省农作物病虫害防治重点实验室农业部华北南部有害生物治理重点实验室郑州450002 西北农林科技大学植物保护学院陕西杨陵712100 中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室北京100193

偏振光是不同于普通光源的一种光,常指光矢量在某一个方向振动的光波,可分为线性偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光等。目前已经发现自然界的偏振光影响许多昆虫的行为,如西方蜜蜂Apis mellifera的飞行导航、蛱蝶Heliconius cydno chioneus... 详细信息

偏振光是不同于普通光源的一种光,常指光矢量在某一个方向振动的光波,可分为线性偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光等。目前已经发现自然界的偏振光影响许多昆虫的行为,如西方蜜蜂Apis mellifera的飞行导航、蛱蝶Heliconius cydno chioneus的觅偶、凤蝶Papilio aegeus产卵场所的选择等。金龟子对圆偏振光的反射可以作为一种分类的性状。昆虫复眼背部边缘区域(dorsal rim area,DRA)小眼是感受偏振光的主要器官,电生理学研究表明前视神经节是蝗虫偏振视觉通路的一部分。在匈牙利,已经开始利用偏振光研制步甲等昆虫的诱捕器。

关键词：线性偏振光圆偏振光昆虫偏振视觉光感受器

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野外机器人的场景图像理解与偏振特性研究

野外机器人的场景图像理解与偏振特性研究

作者：周正寅浙江工商大学

学位级别：硕士

随着机器人技术的迅猛发展和应用场合的日渐扩大,野外自主导航机器人由于其应用领域的特殊性和军事价值,越来越受到各国研究人员和专家的重视。对场景的理解和场景中障碍物的识别是野外机器人研究的一个重点。本文对于野外环境常见的两... 详细信息

随着机器人技术的迅猛发展和应用场合的日渐扩大,野外自主导航机器人由于其应用领域的特殊性和军事价值,越来越受到各国研究人员和专家的重视。对场景的理解和场景中障碍物的识别是野外机器人研究的一个重点。本文对于野外环境常见的两类障碍物,即阻挡类障碍物和水体障碍物的检测方法进行了研究。对于场景中的阻挡类障碍物,本文通过双目立体视觉来进行检测。详细讨论了立体视觉的成像原理,摄像头的标定和矫正方法,着重分析了立体匹配的原理和难点,比较了OpenCV函数库中的BM、 SGBM、GC三种立体匹配算法的匹配效果和实时性,最后选取效果和实时性都较好的BM算法作为机器人系统的匹配算法。利用匹配得到深度信息,进而获取环境障碍物位置。对于野外常见的水体障碍物,本文使用两种不同的方法进行检测。第一种为融合水体纹理信息和颜色渐变特征的检测方法,通过实验阐述了这种方法的有效性和相对于以往基于亮度信息这种传统方法的优势。第二种为利用环境偏振特性的方法,文中详细阐述了偏振光的形成原理并分析了野外水体的偏振特性,说明可以利用图像的偏振信息对水体区域进行分割,并通过实验数据证明了这种方法的可行性。最后通过比较一系列数据,分析两种不同水体检测方法的优缺点和适用范围,并最终确定使用偏振方法来进行水体的检测。论文根据所使用的AS-RF机器人硬件和软件平台,提出了一种将环境的偏振信息和深度信息同步采集的方法,阐述了其原理和具体硬件搭建方法,最后利用采集的数据检测场景的阻挡类障碍物和水体障碍物位置信息。实验表明这种结合方法对于阻挡类障碍物和水体的检测成功率均能达到90%以上,精度满足野外机器人使用的要求,证明这种联合检测方法是可行和有效的。

关键词：立体视觉野外场景障碍物检测水体检测偏振视觉

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独立通道偏振罗盘信息检测方法及传感器设计

光电工程 2015年第7期42卷 12-18页

作者：李逸博高隽王昕范之国合肥工业大学计算机与信息学院合肥230009

目前偏振光导航传感器大多以POL-神经元模型为基础,误差主要来源于通道间信号增益差异,以及检偏器阵列的相对角度误差。为了提高偏振罗盘信息的检测精度,提出了一种独立通道偏振罗盘信息检测方法。利用三个相互独立的偏振光检测通道测... 详细信息

目前偏振光导航传感器大多以POL-神经元模型为基础,误差主要来源于通道间信号增益差异,以及检偏器阵列的相对角度误差。为了提高偏振罗盘信息的检测精度,提出了一种独立通道偏振罗盘信息检测方法。利用三个相互独立的偏振光检测通道测量大气偏振信息,获取航向角信息。并且,结合分时复用技术,设计了独立通道偏振光导航传感器,提出了相应的标定方法和误差补偿算法。实验结果表明,独立通道偏振光导航传感器能够显著降低偏振罗盘信息检测误差,补偿后传感器误差在±0.05°以内。

关键词：偏振光导航大气偏振模式偏振视觉导航

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仿生偏振导航传感器实验模型的构建与标定

仿生偏振导航传感器实验模型的构建与标定

第十届全国敏感元件与传感器学术会议

作者：褚金奎赵开春王体昌张强大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室

针对研制仿生导航微传感器的需要,设计并且搭建了偏振导航传感器实验模型。分析了仿生导航传感器工作的原理,构建了传感器模型实验平台和光学标定装置。利用光学标定装置对导航传感器进行了暗场标定、均匀非偏振光标定。进行了导航定位... 详细信息

针对研制仿生导航微传感器的需要,设计并且搭建了偏振导航传感器实验模型。分析了仿生导航传感器工作的原理,构建了传感器模型实验平台和光学标定装置。利用光学标定装置对导航传感器进行了暗场标定、均匀非偏振光标定。进行了导航定位角度输出实验,获得了导航传感器三个偏振方向分析器标准化输出曲线。测试结果表明这种新型传感器的设计是合理有效的。

关键词：偏振视觉导航传感器传感器标定标准化输出

来源： cnki会议评论

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仿生偏振导航传感器实验模型的构建与标定

微纳电子技术 2007年第7期44卷 376-378,406页

作者：褚金奎赵开春王体昌张强大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连116024

关键词：偏振视觉导航传感器传感器标定标准化输出