CN101149390A - 一种运动方向角度偏振敏感检测方法和传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明模仿了沙漠蚂蚁依靠天空偏振光感知运动方向的机理，提出了一种面向导航应用的偏振敏感测定运动方向的方法和传感器装置，属于导航测向传感器设计领域。偏振导航传感器主要由偏振光探测、光电转换、信号放大滤波调理、方向光强度辨识、模拟电压信号采集处理、方位角度解算输出等主要部分构成。该发明为光机电一体化设计，通过选择特定带通滤光片以及高精度对数运算放大电路解决了天空偏振光波段过宽以及不同时刻偏振光强度变化范围过大问题，使传感器的角度输出与光强度变化无关；同时采用独特的角度归一化解算方法，消除了天空偏振光偏振程度变化对于传感器测角精度的影响。该发明具有结构简单、性能可靠、测角精度高的优点。

Description

一种运动方向角度偏振敏感检测方法和传感器装置

技术领域

本发明属于采用偏振光学方法为特征的测量设备，特别涉及一种利用大气中相对稳定的偏振光分布模式进行运动物体角位移测量的检测方法和传感器。

背景技术

目前的导航测定方位角度传感器，主要包含地磁罗盘、惯性陀螺仪以及天文六分仪。地磁罗盘原理结构简单，但精度较低；惯性陀螺仪测定运动方向瞬时精度高，但长期使用具有较大的积累误差，为了获得准确的运动方向角度，必须利用其它导航传感器定期对惯性陀螺进行校准；早期的天文六分仪原理装置简单，也有较高的测量精度，但是定位测向计算步骤多，时间长，因而在实用中受到了诸多限制。基于恒星敏感器的天文测向的传感器具有很高的测量精度，但是系统结构复杂，计算性能要求高，生产成本也非常高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了弥补上述导航测向传感器在实际工程应用中的不足，提供一种生产成本低、结构原理相对简单并且具有较高测量精度的导航运动方位角度测量方法和传感器装置。本发明用于测量自由运动物体的航向角度，它直接利用太阳辐射可见光在大气中散射形成的相对稳定的偏振光分布模式，经过滤光元件、检偏器件、对数放大调理电路以及数据采集处理模块，连续实时的推导计算出当前运动方向。

本发明的技术方案是：一种运动方向角度偏振敏感检测方法和传感器装置，其检测方法的特征是采用三个偏振主轴成120°角的偏振光检测通道敏感天空可见光的偏振分布模式，进行归一化算法处理，结合方向光强度辨别方法解算出运动物体的运动方向角度，其实现过程如下：

1)单通道偏振光检测：单个偏振光检测通道C1，C2，C3是由一对偏振透光轴互相正交的检偏器连接光敏二极管作为高精度对数运算放大器的两个输入端，输入的光电流可以表示为：

s_i1(φ)＝KI(1+dcos(2φ-2φ_max))，i＝1，2，3.(1)

s_i2(φ)＝KI(1+dcos(2φ-2(φ_max+90)))

其中，φ_max是使s(φ)取最大值的方向，分别取0°，120°，240°，对应三个偏振光检测通道，s_i1(φ)和s_i2(φ)表示一个偏振光检测通道中与主方向平行和垂直时的光电流输入，其中，I是总的光强度I＝I_max+I_min，I_max，I_min分别是最大和最小光强度。d是偏振程度，φ是零度方向相对于当前太阳子午线的夹角，K是一个常数；

2)三通道偏振光检测：利用具有三个偏振敏感主轴方向的线性检偏器模仿沙漠蚂蚁的神经感杆，传感器由三个偏振敏感主轴方向成120°的偏振光检测通道C1，C2，C3组成，三个偏振光检测通道的输出表达式为：

$p_1\left(\mathrm{\φ}\right)={\log }_{10}\left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)$

$p_2\left(\mathrm{\φ}\right)={\log }_{10}\left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})}\right)---\left(2\right)$

$p_3\left(\mathrm{\φ}\right)={\log }_{10}\left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{8\mathrm{\π}}{3})}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{8\mathrm{\π}}{3})}\right)$

3)三通道输出归一化处理：对于不同的时间和地理位置，在天空偏振光的照射下，偏振导航传感器绕参考线旋转一周后，三个偏振光检测通道输出的振幅不同的电压信号，经过归一化算法处理之后，可以输出标准的正弦信号，归一化过程如下：

首先，对三通道原始输出进行反对数处理：

${\stackrel{\‾}{p}}_1\left(\mathrm{\φ}\right)=1-\frac{2}{{10}^{p_1}+1}=d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)---\left(3\right)$

${\stackrel{\‾}{p}}_2\left(\mathrm{\φ}\right)=1-\frac{2}{{10}^{p_2}+1}=d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})---\left(4\right)$

${\stackrel{\‾}{p}}_3\left(\mathrm{\φ}\right)=1-\frac{2}{{10}^{p_3}+1}=d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{8\mathrm{\π}}{3})---\left(5\right)$

然后，利用三角恒等变换，给出偏振程度d的表达式：

$d=\sqrt{\frac{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}{3}}---\left(6\right)$

最后，将式(5)代入式(2)，(3)，(4)中，得到归一化输出表达式：

${\tilde{p}}_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)=\frac{\sqrt{3}{\stackrel{\‾}{p}}_1}{\sqrt{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}}---\left(7\right)$

${\tilde{p}}_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})=\frac{\sqrt{3}{\stackrel{\‾}{p}}_2}{\sqrt{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}}---\left(8\right)$

${\tilde{p}}_3\left(\mathrm{\φ}\right)=\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{8\mathrm{\π}}{3})=\frac{\sqrt{3}{\stackrel{\‾}{p}}_3}{\sqrt{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}}---\left(9\right)$

4)运动方向角度解算：对于不同的运动方向角度，根据三个主轴方向为0°，120°，240°的偏振光检测通道的归一化输出响应值，可以获得传感器参考方向与太阳子午线之间的夹角，角度输出可以表示为：

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}a\cos \frac{\sqrt{3}{\stackrel{\‾}{p}}_1}{\sqrt{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}}---\left(10\right)$

由于，三个偏振光检测通道输出函数的周期为180°，在0°到360°范围内，满足式(10)的候选角度值有2个，结合方向光强度检测通道I1，I2，I3的输出结果，选择方向光强度较大的候选角度作为真实的运动方位角度。

采用的传感器装置中的传感器上盖2是由具有一定厚度的不锈钢短圆柱体制成，短圆柱体上均匀分布6个圆孔a，为偏振光通道，玻璃滤光片1放置在短圆柱体上部的大圆形凹槽b中，短圆柱体的下部开有两组凹槽，内圈的凹槽为凹槽c共6个，外圈的凹槽为凹槽d共6个，均匀分布，每组凹槽分别与主体4中的凸台相配合用于压紧偏振片；传感器主体4，是由具有厚度数倍于上盖的不锈钢圆柱体制成，该圆柱体上均匀分布与上盖部分对应的6个圆孔a’，为偏振光通道，圆柱体的上面有两组凸台，内圈的凸台为凸台c’共6个，外圈的凸台为凸台d’共6个，均匀分布，和上盖2中的凹槽c，d相配合用于偏振片的定位，检测方向光强度的光敏电阻12放置在圆柱体的圆周面上均匀分布6个凹槽e中，光敏电阻引线13通过引线孔f连接在电路板5上；偏振片8，6个60°扇形偏振片8，分成三对，每对中的两个偏振片的敏感主轴互相正交，组成0°，120°，240°的偏振光通道的检测器件；光电二极管14安装在电路板5上，使其位于主体4的圆孔a’的中心；电路板引线10连接电路板5和电路板6；传感器上盖2和主体4，用4个螺钉7将上盖2和主体4固接在一起，用4个螺钉9将主体4与电路板5固接在一起，用两个销钉3将上盖2，主体4，电路板5进行定位。

本发明的显著效果是利用光介质进行测量，测量设备相对简单、不含有运动装置、对电磁环境没有特殊要求，便于工程实现，并且具有较强的环境耐受能力。

附图说明

图1-传感器原理图，其中：C1-0°偏振光检测通道，C2-120°偏振光检测通道，C3-240°偏振光检测通道，I1-方向光强度检测通道1，I2-方向光强度检测通道2，I3-方向光强度检测通道3，图2-传感器装配图主视图，图3-传感器装配图C-C视图，图4-传感器全剖左视图，图5-传感器装配图A-A视图，图6-上盖主视图，图7-上盖俯视图，图8-上盖E向视图，图9-偏振片，图10-主体主视图，图11-主体俯视图，图12-主体全剖左视图，其中：1-滤光片，2-上盖，3-销钉，4-主体，5-电路板，6-电路板，7-螺钉，8-偏振片，9-螺钉，10-传感器电路板信号线，12-光敏电阻，13-光敏电阻信号线，14-光电二极管，15-螺钉；a-偏振光通道，b-凹槽，c-凹槽，d-凹槽，e-凹槽，f-引线孔，a’-偏振光通道，c’-凸台，d’-凸台；

图13-偏振光检测通道原理图，图14-不同时刻偏振导航传感器旋转一周三个偏振光检测通道输出，横轴为传感器参考方向与太阳子午线的夹角(/度)，纵轴为三个偏振光检测通道的输出电压(/伏特)，图15-偏振导航传感器旋转一周三通道归一化输出，横轴为传感器参考方向与太阳子午线的夹角(/度)，纵轴为三个偏振光检测通道的输出电压(/伏特)。

具体实施方式

根据瑞利大气单散射模型，太阳光在天空的偏振分布模式中，每一点的偏振方位受天气因素影响小，比较稳定。而生物神经学家研究表明沙漠蚂蚁能够通过偏振复眼来感知天空光偏振模式，从准确判定运动方向。本发明模仿沙漠蚂蚁依靠天空偏振光进行导航的机理，利用光电敏感元件研制应用于工程技术领域的导航测定方位角度的传感器。本发明的关键部件是偏振光检测通道。一个偏振光检测通道是由一对透光轴互相正交的线性偏振元件组成，入射光线经过光电二极管和对数比率运算放大器之后，输出的信号是入射偏振光线的振动方向和偏振程度的函数。在入射光线的照射下，偏振分析器旋转一周所得的响应曲线是正弦曲线。这样通过三个主轴方向为0°，120°，240°的角度分析器对于角度的不同响应值就可以确定导航传感器的0°方向与太阳子午线方位的夹角。

结合附图详细说明偏振光检测方法的具体实施。当偏振导航传感器的0°参考线与太阳子午线夹角为φ，光强度为I，偏振度为d时，偏振方位分析器内部偏振透光轴正交的两路产生具有90°位相差的电流信号，再经过对数运算放大器的作用产生一路模拟电压输出信号，如附图13。三个偏振方位分析器通道的电压输出可以由式(2)表达，由于方程组含有两个未知数和三个等式，因此一定可以求解出φ。

结合附图14与附图15说明本发明中传感器的角度输出与天空光的绝对强度值和偏振程度值无关。图14为传感器角度输出实验中，一天中不同时刻偏振传感器旋转360°后，三个偏振光检测通道的原始电压输出，由于光强度和偏振程度的不同，三个通道的输出电压的波形相似，但是输出电压振幅不同；图15是经过归一化之后三个偏振检测通道的输出，可以看出天空光的绝对强度值和偏振程度值变化对于传感器的角度输出没有影响。

结合附图15说明偏振导航传感器的方位角度解算方法。偏振导航传感器旋转360°后，三个偏振方位分析器输出的模拟电压值经过模数转换、反对数运算以及归一化处理，得到了与天空偏振光的绝对强度值和偏振程度值无关的三条曲线。这三条曲线是位相差为0°、120°以及240°的正弦曲线，当偏振导航传感器与太阳子午线的夹角为φ时，根据任何两个通道的归一化输出值都可以计算获得当前的方位角度值。由于归一化曲线的周期性，每一次解算可以获得两个角度差为180°的候选值，而偏振导航传感器当前的真实方位是唯一的，这个二义性通过传感器方向光强度检测通道的输出结果能够很容易的消除。

结合附图1说明传感器方向光强度检测通道的实施方法。光敏感探测面水平放置的六个光敏电阻均匀分布在同一个圆周上，作为水平面内太阳光强度方位分布的探测器。方向正对的一对光敏电阻位于一路逻辑比较电路中，当太阳位于偏振传感器的不同方位时，和太阳临近的光敏电阻阻值变小，电流值增大，而与其正对的光敏电阻由于背对太阳，光敏电阻阻值增大，电流值变小，通过三路逻辑判别输出结果和偏振角度输出可以判断出偏振导航传感器与太阳的方位关系，进而获得偏振导航传感器当前的方位角度值。

Claims (2)

1.一种运动方向角度偏振敏感检测方法和传感器装置，其检测方法的特征是，采用三个偏振主轴成120°角的偏振光通道，检测天空可见光的偏振分布模式，进行归一化算法处理，结合方向光强度辨别方法解算出运动物体的运动方向角度，其实现过程如下：

1)对单通道偏振光检测：单个偏振光检测通道(C1)，(C2)，(C3)是由一对偏振透光轴互相正交的检偏器连接光敏二极管，作为高精度对数运算放大器的两个输入端，输入的光电流可以表示为：

S_i1(φ)＝KI(1+dcos(2φ-2φ_max))，

                                       i＝1，2，3.  (1)

S_i2(φ)＝KI(1+dcos(2φ-2(φ_max+90)))

其中，φ_max是使s(φ)取最大值的方向，分别取0°，120°，240°；对应三个偏振光检测通道，s_i1(φ)和s_i2(φ)表示一个偏振光检测通道中与主方向平行和垂直时的光电流输入，其中，I是总的光强度I＝I_max+I_min，I_max，I_min分别是最大和最小光强度，d是偏振程度，φ是零度方向相对于当前太阳子午线的夹角，K是一个常数；

2)对三通道偏振光检测：利用具有三个偏振敏感主轴方向的线性检偏器模仿沙漠蚂蚁的神经感杆，传感器由三个偏振敏感主轴方向成120°的偏振光检测通道(C1)，(C2)，(C3)组成，三个偏振光检测通道的输出表达式为：

$p_1\left(\mathrm{\φ}\right)={\log }_{10}\left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)$

$p_2\left(\mathrm{\φ}\right)={\log }_{10}\left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})}\right)---\left(2\right)$

$p_3\left(\mathrm{\φ}\right)={\log }_{10}\left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{8\mathrm{\π}}{3})}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{8\mathrm{\π}}{3})}\right)$

3)三通道输出归一化处理：对于不同的时间和地理位置，在天空偏振光的照射下，偏振导航传感器绕参考线旋转一周后，三个偏振光检测通道输出的振幅不同的电压信号，经过归一化算法处理之后，可以输出标准的正弦信号，归一化过程如下：首先，对三通道原始输出进行反对数处理：

${\stackrel{\‾}{p}}_1\left(\mathrm{\φ}\right)=1-\frac{2}{{10}^{p_1}+1}=d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)---\left(3\right)$

${\stackrel{\‾}{p}}_2\left(\mathrm{\φ}\right)=1-\frac{2}{{10}^{p_2}+1}=d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})---\left(4\right)$

${\stackrel{\‾}{p}}_3\left(\mathrm{\φ}\right)=1-\frac{2}{{10}^{p_3}+1}=d\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{8\mathrm{\π}}{3})---\left(5\right)$

然后，利用三角恒等变换，给出偏振程度d的表达式：

$d=\sqrt{\frac{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}{3}}---\left(6\right)$

最后，将(5)代入(2)，(3)，(4)式，得到归一化输出表达式：

${\tilde{p}}_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)=\frac{\sqrt{3}{\stackrel{\‾}{p}}_1}{\sqrt{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}}---\left(7\right)$

${\tilde{p}}_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})=\frac{\sqrt{3}{\stackrel{\‾}{p}}_2}{\sqrt{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}}---\left(8\right)$

${\tilde{p}}_3\left(\mathrm{\φ}\right)=\cos (2\mathrm{\φ}-\frac{8\mathrm{\π}}{3})=\frac{\sqrt{3}{\stackrel{\‾}{p}}_3}{\sqrt{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}}---\left(9\right)$

4)运动方向角度解算：对于不同的运动方向角度，根据三个主轴方向为0°，120°，240°的偏振光检测通道的归一化输出响应值，可以获得传感器参考方向与太阳子午线之间的夹角，角度输出可以表示为：

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}a\cos \frac{\sqrt{3}{\stackrel{\‾}{p}}_1}{\sqrt{3{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2-{({\stackrel{\‾}{p}}_1+{\stackrel{\‾}{p}}_2)}^2}}---\left(10\right)$

由于，三个偏振光检测通道输出函数的周期为180°，在0°到360°范围内，满足式(10)的候选角度值有2个，结合方向光强度检测通道(I1)，(I2)，(I3)的输出结果，选择方向光强度较大的候选角度作为真实的运动方位角度。

2.如权利要求1所述的一种运动方向角度偏振敏感检测方法和传感器装置，其采用的传感器装置特征是，传感器上盖(2)是由具有一定厚度的不锈钢短圆柱体制成，短圆柱体上均匀分布6个圆孔，即为偏振光通道(a)，玻璃滤光片(1)放置在短圆柱体上部的大圆形凹槽(b)中，短圆柱体的下部开有两组凹槽，内圈的凹槽为凹槽(c)共6个，外圈的凹槽为凹槽(d)共6个，凹槽均匀分布；传感器主体(4)是由具有厚度数倍于上盖的不锈钢圆柱体制成，该圆柱体上均匀分布有与上盖部分对应的6个圆孔，即为主体上偏振光通道(a’)，圆柱体的上表面有两组凸台，内圈的凸台为凸台(c’)共6个，外圈的凸台为凸台(d’)共6个，都是均匀分布，上盖(2)中的凹槽(c)，(d)分别与主体(4)上表面的两组凸台(c’)，(d’)相配合，用于偏振片的定位；检测方向光强度的光敏电阻(12)放置在圆柱体的圆周面上均匀分布6个凹槽(e)中，光敏电阻引线(13)通过引线孔(f)连接在电路板(5)上；6个具有60°角的扇形偏振片(8)，均匀放置在上盖(2)中的凹槽和主体(4)中的凸台之间，并分成三对，，每对中的两个偏振片的敏感主轴互相正交，组成0°，120°，240°的偏振光通道的检测器件；光电二极管(14)安装在电路板(5)上，使其位于主体(4)的圆孔(a’)的中心；电路板引线(10)连接电路板(5)和电路板(6)；用两个销钉(3)将上盖(2)，主体(4)，电路板(5)进行定位；用4个螺钉(7)将上盖(2)和主体(4)固接在一起，用4个螺钉(9)将主体(4)与电路板(5)固接在一起。

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