2.2 基于FPGA的仿生偏振光罗盘设计与集成

将高深宽比像素级亚波长金属偏振光栅与感光芯片、自行设计的FPGA硬件电路集成在一起，设计以自然界昆虫偏振定向为蓝本的仿生偏振光罗盘。该罗盘具有功率低、速度快、结构紧凑、分辨率高、灵敏度高等优点，并且能够实时解算载体航向信息。该罗盘主要包括偏振信息获取模块、传感器硬件电路模块和航向角数据处理模块等，其功能结构设计框图如图2.6所示。

根据偏振光定向原理，分别通过合理设计高深宽比像素级亚波长金属偏振光栅、感光芯片、FPGA硬件电路等各功能部件并组合安装成偏振光罗盘，使之很好地获取天空区域大气偏振模式，并进行航向信息解算。其中，罗盘中的偏振信息获取模块利用光电转换原理将天空中入射的偏振光信号转换为易于后续硬件电路处理的电信号，并输出给传感器硬件电路模块。传感器硬件电路模块利用FPGA核心处理器为每个数据分配时间戳和数据定义信息，以便于后续信号处理；同时，经过FPGA解码、编码、模数转换后，通过以太网将数据信息输出，测试接口提供对整个系统状态的实时反馈。航向角数据处理模块主要通过下位机处理上述感知单元输出信号，实现对航向信息的解算。

基于FPGA硬件电路的仿生偏振光罗盘的工作流程如图2.7所示。

Step1：通过高深宽比像素级亚波长金属偏振光栅获取天空中偏振光信号。

Step2：通过感光芯片将偏振光信号转换为电信号。

Step3：通过ZYNQ的FPGA可编程逻辑（PL，Programmable Logic）端对输出的低压差分电信号（LVDS）双沿数据进行解码。

Step4：同步跨时钟域数据，将Step1的数据转换成偏振图像数据。

Step5：图像数据采用高级可扩展接口（AXI，Advanced eXfensible Interface）协议处理后，将写入视频直接存储器访问（VDMA）的知识产权（IP）内核。

Step6：将偏振图像数据缓存到DDR3 SDRAM。

Step7：利用ZYNQ的ARM处理系统（PS，Processing System）将偏振图像数据解算成航向角数据后进行提取和处理。

Step8：航向角数据采用用户数据报协议（UDP）进行处理，并通过以太网输出。

Step9：对输出的航向角数据进行解码，并通过PC显示。

仿生偏振光罗盘实物如图2.8（a）所示，其内部FPGA硬件电路如图2.8（b）所示。该罗盘内偏振成像系统能够一次同时采集4个方向的偏振角图像，可保证图像数据的同步性和可靠性，并可提供30帧/秒的偏振图像传输速率。