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面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究

作　者: 姚弘轶
导　师: 褚金奎
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 沙蚁导航全天空偏振光分布模型 Rayleigh散射斯托克斯矢量偏振光测试模型
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 368次
引　用: 12次
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内容摘要

在复杂的环境中，导航能力对于动物和机器人来说都是至关重要的。许多动物应用不同的导航策略在它们居住的环境中生存。例如沙蚁Cataglyphis能够在数百米外觅食而返回巢穴时近乎于一条直线。生物学家的研究表明，沙蚁Cataglyphis能够借助天空中的偏振光进行导航定位，一是因为天空中存在一个相对稳定的偏振光分布模式，二是它本身的视觉神经系统对天空中偏振光方向极其敏感。本文从偏振的概念入手，论述了偏振的物理学基础和基本光学原理，然后重点研究了天空中偏振光分布模型和仿沙蚁复眼结构的偏振光测试系统。对于天空偏振，研究了天空中偏振光产生的机理，分析了天空中偏振光的分布，探讨了太阳视位置对全天空偏振光分布模式的影响。根据Rayleigh散射理论和天文学知识，利用C++语言和OpenGL软件开发包在VC环境下进行编程工作，完成了太阳视位置，天空中观测方向的光束偏振方位角和偏振度信息，以及斯托克斯矢量的计算，并建立了二维和三维的球面模型，对太阳视位置的运动和全天空偏振光分布模式的变化进行了动态仿真。依据沙蚁的导航策略，本文论述了一个仿沙蚁复眼结构的偏振光测试模型。在此基础上设计了一种偏振光测试的机械装置，内置六个偏振通道，分别放置偏振片和硅光电二极管。该机械装置与光电处理模块、数据采集模块共同构成了偏振光测试系统。在实验中，测试系统成功地采集到了三通道的偏振光信号，实验曲线很好地验证了沙蚁视觉神经系统对天空中偏振光方向敏感的响应规律。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-14
  1.1 选题依据及意义  8-9
  1.2 偏振技术研究的具体应用  9-10
  1.3 偏振探测的国内外发展状况  10-12
  1.4 论文主要工作  12-14
2 偏振光的数学描述及测量  14-25
  2.1 偏振光的数学描述  14-22
    2.1.1 电矢分量方法  16-17
    2.1.2 琼斯矢量方法  17-18
    2.1.3 斯托克斯矢量表示法  18-21
    2.1.4 用邦加球表示光的偏振态  21-22
  2.2 偏振测量的基本原理  22-25
3 大气散射与天空偏振分布  25-33
  3.1 大气散射  25-27
    3.1.1 一次散射和多次散射  25-26
    3.1.2 米氏散射  26
    3.1.3 Rayleigh散射  26-27
  3.2 天空偏振理论分析  27-29
  3.3 天空偏振光分布模型建立  29-33
4 仿真系统的实现  33-53
  4.1 系统设计方案的确定  33-34
    4.1.1 Visual C++开发工具  33
    4.1.2 OpenGL软件开发包  33-34
    4.1.3 数据库的选择  34
  4.2 系统的总体功能结构  34-38
    4.2.1 系统功能  35-36
    4.2.2 系统总体流程图  36-37
    4.2.3 系统的启动界面  37-38
  4.3 时间显示模块  38-39
  4.4 太阳视位置的计算  39-45
    4.4.1 太阳时角的计算  39-40
    4.4.2 太阳高度角、方位角的计算  40-43
    4.4.3 数据库的设计  43-45
  4.5 天空偏振的二维、三维模式图建立及动态仿真  45-50
  4.6 仿真系统的使用，帮助及综合算例  50-53
    4.6.1 系统帮助  50-51
    4.6.2 系统的综合算例  51-53
5 仿沙蚁复眼结构的偏振测试系统  53-63
  5.1 沙蚁导航定位机理  53-56
  5.2 偏振导航测试系统  56-63
    5.2.1 偏振光测试实验模型  56-58
    5.2.2 偏振光测试实验装置  58-59
    5.2.3 偏振光测试实验  59-63
结论与展望  63-64
参考文献  64-67
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  67-68
致谢  68-69
大连理工大学学位论文版权使用授权书  69

面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究

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