一种空域可重构偏振感知交互系统及其识别方法

本发明涉及圆偏振光子感知技术和机器视觉协同应用技术交叉领域，尤其涉及一种基于圆偏振光的空域部署的可重构偏振交互感知系统。

背景技术：

1、无人机平台因其高机动性与三维空间灵活部署能力，在复杂场景感知、目标识别与人机交互领域展现出广泛应用潜力。然而，无人机部署的光学标识系统长期依赖强度成像与线偏振标识，在低能见度雾霾、强散射背景等复杂光学干扰环境中，非手性背景散射与目标信号叠加导致信噪比急剧劣化，目标识别失败率超过70%，严重制约了无人机在高价值感知场景中的可靠部署。

2、空间可编程圆偏振光场编码芯片因其旋向发光的内禀手性，在旋向亮度特征感知中相较于强度成像具有天然优势：圆偏振光在大气散射介质中的降偏振效应显著弱于线偏振光，旋向性不随目标旋转角度变化，且通过左/右旋双通道旋向亮度特征融合计算可有效滤除非手性背景散射，目标信噪比可提升3至5倍。

3、然而，将高性能空间可编程圆偏振光场编码芯片应用于实际感知场景面临根本性制约：（1）固定台架系统观测几何固定，无法适应动态目标与遮挡地形；（2）地面系统视场有限，无法实现三维空域全方位旋向光场覆盖；（3）光干扰与遮挡场景中，固定地面光子信标识别终端与地面携带芯片之间的视线往往被截断，系统失效。上述制约均无法单纯通过提升芯片旋向各向异性因子来克服，根本原因在于缺乏能对芯片空间位置与辐射方向实施动态调控的运动平台。

4、将无人机平台与空间可编程圆偏振光场编码芯片深度集成，由无人机提供机动运动平台，芯片提供高性能旋向编码光场信号，地面光子信标识别终端实施精确旋向解析，三者协同构成完整感知闭环，这是突破上述所有制约的根本途径。目前，上述系统集成方案在已有文献和专利中尚无报道。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于移动式手性光场的空域可重构偏振感知交互系统及其识别方法，旨在解决固定地面系统观测几何固定、视场有限、视线易被遮挡等技术问题，实现三维空域视线可重构的动态旋向感知。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种空域可重构偏振感知交互系统，所述系统包括：空间可编程圆偏振光场编码芯片、无人机平台、通信与协同控制单元、地面光子信标识别终端、光子编码解析单元；

4、所述空间可编程圆偏振光场编码芯片，包含左旋圆偏振发光像元区域、右旋圆偏振发光像元区域与旋向各向异性因子为零的非手性参考区域，各像元旋向各向异性因子|glum|不低于0.5；

5、进一步地，所述空间可编程圆偏振光场编码芯片中，各像元内部具有全域垂直螺旋有序纳米超构型，层间距对应手性液晶螺旋节距的1/2；像元侧向口径50至129 μm，穹面高度约17.60 μm，高径比约0.29；旋向各向异性因子|glum|最高达1.01。

6、优选的，所述光场编码芯片包括液晶基元lc013、交联剂eddet、阻聚剂bht、光引发剂i-651，甲苯，手性掺杂剂r-5011或s-5011及发色团4-（二氰基亚甲基）-2-甲基-6-（4-二甲基氨基苯乙烯基）-4h-吡喃、香豆素6和7-羟基香豆素。

7、进一步地，所述空间可编程”警示”圆偏振光场编码芯片中，左旋向区域位于芯片外围警示图形区域（glum > 0），右旋向区域位于芯片中心三角形区域（glum < 0），非手性参考标记区域位于芯片右上角三角形区域（旋向各向异性因子为零）；三区域发光颜色相同，仅旋向性不同；芯片有效面积不小于3 cm × 3 cm。

8、进一步地，所述无人机平台，将所述旋向编码圆偏振光子芯片搭载于机身，结合紫外激励模块，使所述光子芯片作为机动飞行的移动旋向光子信号源；

9、优选的，所述无人机选自potenslc atom 2 drone dsdr23a。

10、进一步地，所述通信与协同控制单元用于协调无人机平台飞行轨迹与远程观测终端的指向控制。无人机机动飞行突破地形遮挡，提供固定地面系统无法实现的视线可重构移动旋向感知能力实现复杂环境下的动态光子信标跟踪、目标确认及实时信息交互；

11、优选的，所述通信与协同控制单元选自potenalc pt1 remote controllerdsrc23a。

12、进一步地，所述地面光子信标识别终端，包含第一偏振感知通道（配置有左旋圆偏振分析器）和第二偏振感知通道（配置有右旋圆偏振分析器），分别采集来自所述光子芯片的左旋偏振图像il与右旋偏振图像ir；

13、进一步地，所述地面光子信标识别终端的两个偏振感知通道配置同步图像传感器；

14、优选的，所述第一、第二偏振图像传感器采用亮度计，为ccd/cmos相机用于捕捉芯片平面方向的光强度信号。

15、优选的，所述cmos/ccd相机分辨率大于1920×1080。

16、优选的，所述左右旋圆偏振分析器工作波段选自350-1500 nm。

17、进一步地，所述光子编码解析单元，以非手性参考区域信号为实时背景归一化基准，对来自多个偏振响应通道的光学数据进行融合计算c（x,y）=il-ir，构建具有背景抑制能力的结构化光子特征图谱，实现所述旋向编码圆偏振光子芯片的高保真识别与空间定位。为所述偏振感知通道的左旋相对应像素位置的图像强度值，为所述偏振感知通道的右旋相对应像素位置的图像强度值。

18、优选的，所述光子编码系统采用伪彩色编码方式，将亮度值映射为可视化彩色图像。

19、进一步地，所述光子编码解析单元具有深度信息提取功能。所述光子编码解析单元以极线校正后的左目视图为空间基准，对来自双目传感器的左、右两路图像信号进行立体匹配融合计算，构建内蕴深度信息的视差特征图谱，实现目标场景的三维高保真重建与空间定位。为左图（x,y）像素在右图中匹配点的水平坐标，为该匹配点自身的水平坐标；

20、优选的，所述光子编码系统采用伪彩色编码方式。

21、进一步地，所述光子编码解析单元以非手性参考区域（旋向各向异性因子为零）的图像信号强度作为实时背景归一化基准，消除环境光波动与探测器响应漂移对偏振成像质量的影响；偏振运算从原理上滤除非手性背景散射贡献（背景）。

22、优选的，数据传输为usb3.0及以上接口、高速thunderbolt接口和gige中的一种或几种。

23、进一步地，所述系统的无人机协同空中旋向识别方法，包括以下步骤：

24、s1、将旋向编码圆偏振光子芯片部署于无人机平台；

25、s2、启动无人机在目标场景上空机动飞行，提供视线可重构的移动旋向光子信号源；

26、s3、地面光子信标识别终端同步采集il与ir；

27、s4、以非手性参考区域信号为基准进行归一化校正，执行特征亮度运算c（x,y）=il-ir，获得旋向选择性偏振图像；

28、s5、根据偏振图像中左旋向区（c < 0）、右旋向区（c > 0）与非手性参考区（|c|≈0）的空间分布，解码芯片承载的旋向编码信息，实现目标旋向识别与定位。

29、进一步地，所述系统利用深度学习目标感知模型对偏振图像中芯片区域进行深度定位，可在城市建筑背景散射、低能见度等复杂光学干扰环境下目标区域实现高精度检测。

30、进一步地，低能见度及光干扰搜索救援中的应用中，目标人员或装备携带所述旋向编码圆偏振光子芯片作为旋向编码身份标识，无人机通过双通道偏振旋向感知在能见度低至8至12 m的场景中实现目标旋向识别与定位。

31、本发明具有以下优势与有益效果：

32、1、空域可重构动态感知：无人机机动飞行突破固定地面系统视线遮挡，实现三维空域视线可重构动态感知，实现了空域机动平台与圆偏振信号感知的深度融合。

33、2、强光干扰鲁棒性：双通道旋向亮度特征融合计算从原理上抑制非手性背景散射，能有效抑制环境中的自然光、人工光源以及其他非圆偏振光的干扰，使目标信噪比较单通道强度成像提升3至5倍。

34、3、光子自旋信息的高保真实时重构：基于逐像元旋向特征提取、全场偏振解码及伪彩色映射算法，实现圆偏振信息的实时可视化表达与高精度空间重建。结合无人机平台的动态扫描能力，可构建大范围、高分辨率、自旋分辨的三维偏振信息图谱。

35、4、完整的感知交互闭环：建立“发射—传输—感知—解码—反馈”的智能感知闭环。空间可编程圆偏振光场编码芯片作为信息主动发射端，无人机作为空域机动感知节点，结合深度学习旋向模式识别网络，实现圆偏振信息的自主感知、智能解码与实时决策。即使在高背景噪声、动态遮挡及复杂城市环境条件下，仍可实现高准确率目标识别与定位，为智能无人系统、自旋光子通信及下一代人机协同感知提供了全新的技术路径。