CN101694456A - 全天域大气偏振模式检测传感器及检测信号处理方法 - Google Patents

Abstract

全天域大气偏振模式检测传感器及检测信号处理方法，其特征是一球面主体结构模块设置为半球状壳体，作为传感器支撑结构，在半球状壳体上散布各嵌套孔，各嵌套孔沿径向贯穿半球状壳体；一球面干涉滤光罩护罩在球面主体结构模块的外部，用于选择过滤大气偏振光，获得大气偏振光中的设定波段光；一传感器阵列采用四象限偏振光传感器件，四象限偏振光传感器件嵌装在球面主体结构模块的各嵌套孔中。本发明为便携式、实时性好、准确度高，能满足对全天域大气偏振模式获取的实际要求。

Description

全天域大气偏振模式检测传感器及检测信号处理方法

技术领域

本发明属于智能信息获取和仿生机器人导航技术领域，是一种大气偏振模式检测传感器，特别涉及一种基于光电传感阵列的全天域大气偏振模式检测传感器。

背景技术

太阳光本身是一种自然光源，但是在大气传输过程中被大气中的粒子散射和反射，比如被O₂和N₂分子，由此会产生相应的偏振光。具有不同偏振方向，不同偏振强度的太阳光，便形成了特定的大气偏振模式。大气偏振模式信息主要包括大气偏振度、偏振化方向等参数信息。大气偏振模式和地理位置、太阳位置、大气环境、天气情况，甚至和地面环境有着密切的联系，其规律非常复杂。大气偏振模式中含有重要的导航信息，对仿生机器人的导航有着重要指导意义与研究价值。另外，大气偏振信息在大气光学和偏振遥感探测等研究中也有着广泛的应用，大气偏振特性的时空分布信息为反演大气的光学和物理参数、建立大气散射辐射偏振特性模型提供了必不可少的素材。因此，要实现利用偏振模式完成自主导航任务或者探测大气相关信息，大气偏振模式信息的测量是必不可少的。

目前大气偏振模式的获取主要采用基于光电模型方法，即将蕴涵大气偏振信息的光信号转换成电信号，再对电信号进行处理，进而计算出大气偏振模式中的偏振度和偏振化方向等信息。本申请人在2008年12月31日提交的申请号为：200810246235.3、名称为“平面四通道大气偏振信息检测传感器”、公开日为“2009.05.27”的发明专利申请中，提出了一种平面四通道大气偏振信息检测传感器。该传感器采用高度集成的模块化设计，通过四路检偏器件将滤得的固定波段太阳光转变为具有一定偏振化方向的偏振光，通过四只光电转换装置接收来自天空中的太阳偏振光，并转换成蕴含大气偏振信息的四路电流信号，进而仿效沙蚁POL神经元的信号处理方法，由传感器硬件电路接收这四路电流信号，并通过一系列的对数放大、运算放大和AD转换，最终将天空中的太阳偏振光信息转变成易处理的数字电压信号，进而演算出蕴含在太阳偏振光里的大气偏振信息，完成对大气偏振信息的检测与信号处理。

由于大气偏振模式信息的复杂性，得到大气偏振信息需要获取全天域大气偏振模式，但是，单个的大气偏振信息检测传感器，仅能实现局部天空区域的偏振信息检测，无法获取整个天空的偏振模式。而已有的采用一维或二维旋转扫描的运动模式已初步获得全天域大气偏振模式信息。但其主体结构复杂、装置体积大、不方便携带，不适合对多种地表环境的采集；同时，扫描的运动模式使检测过程需要消耗一定的时间，因此在不同天空区域的偏振信息采集存在有时间差，无法实现整个天空区域偏振模式的实时获取，影响所获取的大气偏振信息的准确性和对实际大气偏振模式的研究。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种便携式、实时性好、准确度高的全天域大气偏振模式检测传感器及检测信号处理方法，以满足对全天域大气偏振模式获取的实际要求。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明全天域大气偏振模式检测传感器的结构特点是具有：

一球面主体结构模块，设置为半球状壳体，作为传感器支撑结构，在所述半球状壳体上散布各嵌套孔，所述各嵌套孔沿径向贯穿半球状壳体；

一球面干涉滤光罩，护罩在球面主体结构模块的外部，用于选择过滤大气偏振光，获得大气偏振光中的设定波段光；

一传感器阵列，采用四象限偏振光传感器件，所述四象限偏振光传感器件嵌装在所述球面主体结构模块的各嵌套孔中。

本发明全天域大气偏振模式检测传感器的结构特点也在于：

所述四象限偏振光传感器件具有四象限检偏器件、四象限光电转换器件和信号处理电路；其中：

所述四象限检偏器件按四个象限设置偏振片，每两个象限为一组，每组中的两个偏振片的起始偏振化方向相互垂直，两组间偏振片的起始偏振化方向有固定角度差，该角度差是0-90度之间的任意角度；在所述四象限检偏器件的底部，按象限一一对应地设置四象限光电转换器件；

所述四象限光电转换器件将来自四象限检偏器件的大气偏振模式信息转换为电信号，并以其电信号作为信号处理电路的输入信号；

所述信号处理电路是通过对数放大模块将四象限光电转换器件输出的四路电信号对数归一化为两路电信号，并在输出模块中输出两路电信号。

本发明全天域大气偏振模式检测传感器的结构特点还在于：

所述球面主体结构模块是以铝合金为材质，并具有黑色磨沙的吸光表层。

本发明全天域大气偏振模式检测传感器的检测信号处理方法的特点是：

所述四象限光电转换装置输出的各路电流信号为：

I_n(φ)＝KI(1+dcos2(φ-φ_n))                                (1)

其中，K为一个常系数，I为归一化光强系数，d为大气偏振模式中偏振度信息，φ为检测时刻的太阳方位角，φ_n为初始相位，且0＜φ_n＜π/2；

经两组对数放大模块后的信号为：

$P_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(2\right)$

$P_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_n)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_n)}\right)---\left(3\right)$

由式(2)和式(3)可以获得大气偏振模式的偏振度信息d和偏振化方向信息φ，即：

$d=\sqrt{{(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{((1-2{\stackrel{\‾}{P}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right))}^2/{\sin }^2\left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)}---\left(4\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)}{(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)}\right)---\left(5\right)$

式(4)和式(5)中的P₁(φ)与P₂(φ)是式(2)和式(3)中的P₁(φ)与P₂(φ)由S型函数

进行去对数处理而得到。

本发明首先通过球面干涉滤光模块获得设定波段的太阳光，经四象限偏振光传感阵列模块中的四象限检偏器件，将获得的固定波段太阳光转变成具有一定偏振化方向的偏振光，每组内的一对偏振光信息的偏振化方向相互垂直。通过四象限偏振光传感阵列模块中的四象限光电转换装置，将四象限检偏器件产生的偏振光转换成蕴含大气偏振模式信息的电流信号，进而仿效沙蚁POL神经元的信号处理方法，由四象限偏振光传感阵列模块中的信号处理电路接收电流信号，通过对数放大并计算出每四象限偏振光检测单元对应局部天空区域的偏振模式特性。通过同时计算若干四象限偏振光检测单元的偏振信息，可以获得这一时刻整个天空区域的大气偏振模式特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明体积小、重量轻、集成度高。目前的大气偏振模式获取装置均采用体积大、比较笨重的材料，每一个偏振信息采集器重量超过一公斤。本发明采用合金材料制成，四象限偏振光检测单元重量仅有几十毫克，体积比目前现有的采集器缩小近10倍，具有体积小，重量轻的优点，便于携带，更适合各种野外环境检测，真正实现了装置的高度集成化。

2、本发明采用球面阵列结构、实时性好。目前的大气偏振模式获取装置均采用旋转式机械结构，需要消耗一定时间，使不同天空区域的偏振模式信息采集存在时间差。本发明采用球面阵列结构，不需要通过转动就能完成对整个天空区域大气偏振模式信息的获取，很好的解决了全天域大气偏振模式获取的实时性问题，避免了机械转动与采集同步不一致所导致的采集误差。

附图说明

图1为本发明的传感器外形示意图；

图2为本发明的传感器旋转剖视图；

图3为本发明传感器的球面主体结构模块俯视图；

图4为本发明传感器的四象限偏振光检测单元示意图；

图5为本发明传感器的信号处理电路框图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中，球面主体结构模块2设置为半球状壳体，作为传感器支撑结构，在半球状壳体上散布各嵌套孔201，各嵌套孔201沿径向贯穿半球状壳体；

球面干涉滤光罩1护罩在球面主体结构模块2的外部，用于选择过滤大气偏振光，获得大气偏振光中的设定波段光；

传感器阵列采用四象限偏振光传感器件3，四象限偏振光传感器件3嵌装在球面主体结构模块2的各嵌套孔201中。

具体实施中，球面干涉滤光罩1采用紫外干涉滤光片，选择接收对偏振现象比较敏感的紫外波段光信息，同时降低太阳光强度，然后通过四象限偏振光传感器件3采集偏振光信息，并将其变换成相应的电信号。

参见图3，本实施例中，各嵌套孔201的分布形式为：球顶中心分布有一中心孔，在纬度为15度、30度、45度、60度和75度的五个圆环上分别均匀分布有四个、十二个、八个、六个和四个；球面主体结构模块2以合金材料制成，用以减轻重量，并能保证一定的硬度和抗摔、防振性能，并施以磨沙黑色吸光表面，用以减轻传感器自身重量和降低干扰光的反射，提高传感器的抗干扰能力；

图4所示为四象限偏振光传感器件的结构形式，四象限偏振光传感器件3由四象限偏振光检测单元组成，每只四象限偏振光检测单元组成包括：四象限检偏器件301、四象限光电转换器件302和信号处理电路303，其中：四象限检偏器件301每两个象限为一组，每组内的偏振片起始偏振化方向相互垂直，两组间的偏振片起始偏振化方向有固定角度差，该角度差是0度-90度之间的任意角度；四象限检偏器件301紧贴于四象限光电转换器件302，四象限检偏器件301与四象限光电转换器件302按象限一一对应；四象限光电转换器件302将四象限检偏器件301检测到的大气偏振模式信息转换为电信号，作为信号处理电路303的输入信号；四象限光电转换器件302从球面主体结构模块2内部嵌入嵌套孔201；

参见图5，信号处理电路303自信号输入端设置有两组对数放大模块和两组输出模块；两组对数放大模块分别将四象限光电转换装置302输出的四路电信号对数归一化为两路电信号，用以消除光强信息的影响；两组输出模块完成电信号的输出。

本实施例中四象限光偏振信息采集阵列信号获取与处理方法为：

四象限光电转换器件302输出的四路电流信号，每路电流信号可表示为：

I_n(φ)＝KI(1+dcos2(φ-φ_n))                     (1)

其中，K为一个常系数，I为归一化光强系数，d为大气偏振模式中偏振度信息，φ为大气偏振模式中偏振化方向信息，即检测时刻的太阳方位角，φ_n为初始相位，且0＜φ_n＜π/2；本发明采用四象限检测的设计方法，每两象限为一组，每组内的偏振化初始方向相互垂直，两组间的起始偏振化方向须有固定角度差φ_n，该角度差可以是0度到90度之间的任意角度。

经两组对数放大模块后的信号表示为：

$P_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(2\right)$

$P_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_n)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_n)}\right)---\left(3\right)$

由式(2)和式(3)可以获得大气偏振模式的偏振度信息d和偏振化方向信息φ，即：

$d=\sqrt{{(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{((1-2{\stackrel{\‾}{P}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right))}^2/{\sin }^2\left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)}---\left(4\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)}{(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)}\right)---\left(5\right)$

式(4)和式(5)中的P₁(φ)和P₂(φ)是式(2)和式(3)中的P₁(φ)和P₂(φ)由S型函数

进行去对数处理后而得到。

Claims (4)

1.一种全天域大气偏振模式检测传感器，其特征是具有：

一球面主体结构模块(2)，设置为半球状壳体，作为传感器支撑结构，在所述半球状壳体上散布各嵌套孔(201)，所述各嵌套孔(201)沿径向贯穿半球状壳体；

一球面干涉滤光罩(1)，护罩在球面主体结构模块(2)的外部，用于选择过滤大气偏振光，获得大气偏振光中的设定波段光；

一传感器阵列，采用四象限偏振光传感器件(3)，所述四象限偏振光传感器件(3)嵌装在所述球面主体结构模块(2)的各嵌套孔(201)中。

2.根据权利要求1所述的全天域大气偏振模式检测传感器，其特征是所述四象限偏振光传感器件(3)具有四象限检偏器件(301)、四象限光电转换器件(302)和信号处理电路(303)；其中：

所述四象限检偏器件(301)按四个象限设置偏振片，每两个象限为一组，每组中的两个偏振片的起始偏振化方向相互垂直，两组间偏振片的起始偏振化方向有固定角度差，该角度差是0-90度之间的任意角度；在所述四象限检偏器件(301)的底部，按象限一一对应地设置四象限光电转换器件(302)；

所述四象限光电转换器件(302)将来自四象限检偏器件(301)的大气偏振模式信息转换为电信号，并以其电信号作为信号处理电路(303)的输入信号；

所述信号处理电路(303)是通过对数放大模块将四象限光电转换器件(302)输出的四路电信号对数归一化为两路电信号，并在输出模块中输出两路电信号。

3.根据权利要求1所述的全天域大气偏振模式检测传感器，其特征是所述球面主体结构模块(2)是以铝合金为材质，并具有黑色磨沙的吸光表层。

4.一种权利要求2所述的全天域大气偏振模式检测传感器的检测信号处理方法，其特征是所述四象限光电转换装置(302)输出的各路电流信号为：

I_n(φ)＝KI(1+dcos2(φ-φ_n))                                          (1)

其中，K为一个常系数，I为归一化光强系数，d为大气偏振模式中偏振度信息，φ为检测时刻的太阳方位角，φ_n为初始相位，且0＜φ_n＜π/2；

经两组对数放大模块后的信号为：

$P_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}{1-d\cos \left(2\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(2\right)$

$P_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\log \left(\frac{1+d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_n)}{1-d\cos (2\mathrm{\φ}-2{\mathrm{\φ}}_n)}\right)---\left(3\right)$

由式(2)和式(3)可以获得大气偏振模式的偏振度信息d和偏振化方向信息φ，即：

$d=\sqrt{{(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{((1-2{\stackrel{\‾}{P}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right))}^2/{\sin }^2\left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)}---\left(4\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_2\left(\mathrm{\φ}\right))-(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)}{(1-2{\stackrel{\‾}{P}}_1\left(\mathrm{\φ}\right))\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)}\right)---\left(5\right)$

式(4)和式(5)中的P₁(φ)与P₂(φ)是式(2)和式(3)中的P₁(φ)与P₂(φ)由S型函数

进行去对数处理而得到。

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