CN101865692A - 偏振光栅导航传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏振光栅导航传感器，包括偏振光栅阵列探测、图像传感器、信号放大滤波调理、电压信号采集处理、方向角度解算输出等主要部分构成。偏振光栅导航传感器为光机电一体化设计，通过选择特定带通滤光片、偏振光栅探测阵列、CMOS光电探测阵列解决了偏振光栅导航传感器的时间与空间分辨率低，提高了偏振光栅导航传感器的角度测量精度及分辨率；同时采用实用的角度解算方法，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。本发明具有结构简单、性能可靠、测角精度高的优点。

Description

偏振光栅导航传感器

技术领域

本发明涉及航向角度测量装置领域，尤其涉及一种利用大气中相对稳定的偏振光分布模式进行角位移测量的导航传感器。

背景技术

在目前的姿态角度测量传感器系统中，主要包含地磁罗盘、惯性陀螺仪以及恒星敏感器。地磁罗盘原理结构简单，但精度较低；惯性陀螺仪瞬时精度高，但长期使用具有较大的积累误差；GPS系统以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独有的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，但是GPS系统完全依赖与卫星间的电磁通信，易受电磁干扰。恒星敏感器测量精度高，原理相对复杂，计算性能要求极高，造价昂贵，因而在导航工程应用中受到了诸多限制。

现有的偏振光栅导航传感器装置存在不足：采用三个偏振主方向分析器组成偏振方向探测头，当一个偏振主方向分析器受到遮蔽或损坏时，容易造成整个传感器性能下降或失效。由于其利用点光电探测器探测一个较宽视场的偏振信息，天空偏振方向模式的空间探测分辨率相对低，航向角度测量精度相对较低。

发明内容

针对现有的偏振光栅导航传感器装置存在的不足，本发明提出了一种新型的成像式偏振光栅导航传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：构造一种偏振光栅导航传感器，包括偏振光栅探测阵列、APS CMOS图像传感器、图像采集处理监测传输系统以及电源系统四个主要功能模块。

偏振光栅导航传感器组合偏振光栅探测阵列和APS CMOS图像传感器功能模块模仿昆虫神经系统中的偏振神经视网膜结构功能，实现天空光偏振分布模式的方向敏感探测与光电转换。偏振光栅探测阵列中能够探测一束偏振光振动方向的最小探测单元称为偏振像素，每一个偏振像素是由四个配置不同偏振方向微型偏振器的CMOS像素构成。四个微型偏振器主轴方向与零度参考线之间的夹角依次为0°、60°、90°、150°，两对偏振轴主轴互相垂直的CMOS光电探测单元用来模仿昆虫复眼中感杆交叉垂直结构以及中间神经元结构功能。

每一个偏振像素的四个子像素的输出信号可以表达为：

$s_i\left(\mathrm{\φ}\right)=\mathrm{KI}(1+d\cos (2\mathrm{\φ}-{2\mathrm{\φ}}_{\max \_i})),{\mathrm{\φ}}_{\max \_i}=0,\frac{\mathrm{\π}}{3},\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{5\mathrm{\π}}{6}---\left(1\right)$

其中，I是入射到偏振像素上的偏振光总光强度I＝I_max+I_min，I_max、I_min分别是最大和最小光强。d是偏振程度，φ是偏振光栅导航传感器零度参考线与入射偏振光振动方向之间的夹角。φ_{max_i}是使s_i(φ)取得最大值的方向，K是一个常数。对每个偏振像素内部的偏振敏感方向正交的子像素进行对数运算，可获得该偏振像素的两路输出信号，该运算可以消除偏振光强度对偏振方向角解算的影响，增强传感器性能鲁棒性。

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

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

对这两路输出信号进行反三角变换，进而获得每一个偏振像素的方向角度输出为：

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_1\left(\mathrm{\φ}\right)+2{\stackrel{\‾}{p}}_2\left(\mathrm{\φ}\right)-(3/2)}{\sqrt{3}({\stackrel{\‾}{p}}_1\left(\mathrm{\φ}\right)-(1/2))}\right)---\left(4\right)$

偏振方向角度图像阵列的每个像素值取相应偏振像素的角度值。利用线特征检测提取算法对偏振方向角度图像进行处理，解算出偏振光栅导航传感器的偏振航向角Φ(即传感器零度参考线与天空光偏振分布模式主方向的夹角)。为得到传感器零度参考线的绝对方向角，须实时计算天空光偏振分布模式主方向与地理正南方向的夹角(即太阳方位角A_S)。

太阳高度角h_s是地球表面上观察点和太阳的连线与地平面之间的夹角，可用下式计算：

sinh_S＝sinθsinδ+cosθcosδcost    (5)

太阳方向角A_S是太阳至地面上某给定点连线在地面上的投影与正南方向(当地子午线)的夹角。太阳偏东时为负，偏西时为正，其计算公式为：

$\sin A_S=\frac{\cos \mathrm{\δ}}{\cos h_S}\sin t---\left(6\right)$

此式算得的sin A_S值大于1或sin A_S的绝对值较小时，换用下式计算：

$\cos A_S=\frac{{\sinh }_S\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\δ}}{{\cosh }_S\cos \mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

其中：h_S太阳高度角；

A_S太阳方向角；

t当地太阳时角，表明时间的变化；

θ地理纬度，表明观察点所在的位置；

δ赤纬，表明季节(日期)的变化。

根据传感器时钟单元得到实时时间信息。根据天体运行理论中的相关计算方法，利用实时时钟提供的时间信息，结合公式(5)、(6)及(7)便可以得到此时偏振模式主方向与地理正南方向的夹角值A_S。

利用传感器偏振航向角Φ与太阳方位角A_S求代数和，从而得到绝对角度值，达到指示传感器零度参考方向与地理正南之间夹角的目的。

图像采集系统主要由现场可编程逻辑控制门阵列FPGA来完成，提供APSCMOS图像传感器的工作时序和控制命令，并从图像传感器中获得数字偏振图像数据。FPGA同时提供数据处理芯片(DSP和单片机)与两片SRAM之间的数据总线开关功能。

图像处理系统在偏振光栅导航传感器中需要对偏振模式数据进行分析解算，而且需要进行误差补偿等运算，加上要求很高的运算速度和数据更新率，选用运算性能高的DSP来处理数据。

监测传输系统以单片机为核心。首先，对整套电路系统中FPGA、DSP和电源系统的工作状态进行实时监测。其次，单片机采用CAN总线以及RS232串口线与外界通信，正常发送绝对航向角度数据。单片机还作为DSP数据处理系统的备份，当DSP故障时，根据外界输入指令替代其发送数据功能。

本发明的有益效果是：采用光机电一体化设计，通过选择特定带通滤光片、偏振光栅探测阵列、CMOS光电探测阵列解决了现有偏振光栅导航传感器存在的偏振分布模式时间与空间探测分辨率低的不足，提高了偏振光栅导航传感器的角度测量精度及分辨率；同时采用实用的角度解算方法，消除了天空偏振光偏振程度大幅度变化对于传感器测角精度的影响。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为本发明所述导航传感器功能结构图；

图2为偏振光栅成像探测阵列结构示意图；

图3为本发明实施例导航传感器电子系统总体图；

图4为导航传感器结构示意图；

图5为导航传感器图像处理电路信号流程图。

附图标记：

1-偏振光栅探测阵列、2-APS CMOS图像传感器、3-图像采集处理监测传输系统、4-电源系统、5-图像传感器外围电路、6-滤光片组；7-传感器视窗板、8-传感器视窗、9-电路接口、10-电路盒板、11-底盖板、12-偏振像素、13-图像采集电路模块、14-图像处理电路模块、15-监测传输系统电路、16-图像数据存储器。

具体实施方式

图4所示为本发明实施例的结构示意图。传感器的光学、电路部分安置于由传感器视窗板7、电路盒板10、底盖板11构造的内部空间。其中，传感器视窗8固定于传感器视窗板7上。滤光片组6位于传感器视窗8下方，选择需要透过的光谱。偏振光栅探测阵列1，用于探测天空光偏振方向模式信息，APSCMOS图像传感器2用于偏振方向模式信息的光电转换以及成像。图像采集电路模块13、图像处理电路模块14、监测传输系统电路15以及传感器外围电路5通过电路接口9连接。

本发明实施例偏振光栅导航传感器获取绝对航向角的实现流程如下：

偏振光栅导航传感器利用偏振光栅探测阵列1、APS CMOS图像传感器2对传感器探测视场内的天空偏振光进行敏感探测和光电转换；

利用图像采集处理监测传输系统3中的图像采集电路模块13(FPGA)完成偏振方向模式图像数据的采集；

图像处理电路模块14(DSP)对采集到的偏振方向模式图像数据进行噪声信号滤波、偏振方向特征提取以及偏振主方向角度解算，获得偏振航向角度信息；

根据实时时间信息结合公式(5)、(6)及(7)获得太阳方位角，最后将偏振航向角Φ与太阳方向角A_S作“和”得到传感器本体的绝对航向角度信息，并将该信息显示输出。

如图1所示，本发明所述的偏振光栅导航传感器包括偏振光栅探测阵列1、APS CMOS图像传感器2、图像采集处理监测传输系统3、电源系统4。其中，电源系统4分别与APS CMOS图像传感器2以及图像采集处理监测传输系统3相连。

如图2所示，偏振光栅探测阵列1与APS CMOS图像传感器2相连。每一个偏振像素12由四个配置不同偏振方向微型偏振器的CMOS像素构成。四个微型偏振器主轴方向与零度参考线之间的夹角依次为0°、60°、90°、150°。

图3所示为本发明实施例的偏振光栅导航传感器电子系统总体结构图。其中，图像采集电路模块13(FPGA)分别与图像处理电路模块14(DSP)、监测传输系统电路15(C515)以及图像数据存储器16(SRAM)相连。此外，图像采集电路模块13还与APS CMOS图像传感器2(IBIS5-A1300)连接。图像处理电路模块14(DSP)与监测传输系统电路15(C515)相连。

图像采集电路模块13(FPGA)提供APS CMOS图像传感器的工作时序和控制命令，并从图像传感器中获得数字偏振图像数据。FPGA同时提供数据处理芯片(DSP和单片机)与两片SRAM之间的数据总线开关功能。

图像处理电路模块14(DSP)在偏振光栅导航传感器中需要对偏振模式数据进行分析解算，而且需要进行误差补偿等运算，加上要求很高的运算速度和数据更新率，选用运算性能高的DSP来处理数据。

监测传输系统电路15以单片机为核心。首先，对整套电路系统中FPGA、DSP和电源系统的工作状态进行实时监测。其次，单片机采用CAN总线以及RS232串口线与外界通信，正常发送绝对航向角度数据。单片机还作为DSP数据处理系统的备份，当DSP故障时，根据外界输入指令替代其发送数据功能。

Claims (9)

1.一种偏振光栅导航传感器，其特征在于，包括偏振光栅探测阵列、图像传感器、图像采集处理监测传输系统以及电源系统；所述偏振光栅探测阵列、图像传感器、图像采集处理监测传输系统依次串联；所述电源系统分别与图像传感器、图像采集处理监测传输系统连接；

所述图像采集处理监测传输系统包括图像采集电路模块、图像处理电路模块；

所述图像采集电路模块从图像传感器中获得偏振方向信息数据；

所述图像处理电路模块利用上述数据计算得到方向指示装置零度参考方向与偏振主模式方向的夹角，与偏振主模式与地球正南或正北方向的夹角进行作“和”得到绝对方向角。

2.如权利要求1所述的导航传感器，其特征在于，所述偏振光栅探测阵列由偏振像素阵列构成，每一个偏振像素由4个配置不同偏振方向的微型偏振器组成。

3.如权利要求1或2所述的导航传感器，其特征在于，所述4个微型偏振器主轴方向与零度参考线之间的夹角依次为0°、60°、90°、150°，两对偏振轴主轴互相垂直的微型偏振器用于模仿昆虫复眼中感杆交叉垂直结构以及中间神经元结构功能。

4.如权利要求1所述的导航传感器，其特征在于，所述图像传感器采用APSCMOS图像传感器实现光电转换，对偏振光栅探测阵列探测的偏振方向模式图像进行模数转换和信号增益处理。

5.如权利要求1所述的导航传感器，其特征在于，所述图像处理电路模块对采集到的偏振方向信息数据进行噪声信号滤波、偏振方向特征提取以及偏振主方向角度解算，获得偏振航向角度信息。

6.如权利要求1所述的导航传感器，其特征在于，所述导航传感器还包括实时时钟模块及显示模块。

7.如权利要求1所述的导航传感器，其特征在于，所述图像采集处理监测传输系统还包括监测传输系统电路以及图像数据存储器。

8.如权利要求1或7所述的导航传感器，其特征在于，所述监测传输系统电路对导航传感器电路系统中图像采集电路模块、图像处理电路模块和电源系统的工作状态进行实时监测；并采用CAN总线以及RS232串口线与外界通信，发送绝对航向角度数据。

9.如权利要求1或7所述的导航传感器，其特征在于，所述监测传输系统电路作为图像处理电路模块数据处理系统的备份，故障时，根据外界输入指令替代其实现发送数据功能。

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