CN103363986A - 独立通道偏振导航信息检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立通道偏振导航信息检测传感器，其特征是所述传感器的组成包括偏振光采集模块、无偏通道和信号处理与运算模块；所述偏振光采集模块包括三个相互独立的偏振检测通道用于对偏振光信息进行采集；所述无偏通道采集光线输出基准电流信号，为自动增益控制提供基准；所述信号处理与运算模块完成信号的调理、放大、转换和运算获得偏振导航信息。本发明能有效提高大气偏振导航信息检测的精度。

Description

独立通道偏振导航信息检测传感器

技术领域：

本发明涉及智能信息获取和导航技术领域，具体地说是一种独立通道偏振导航信息检测传感器。

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，便会产生偏振光。具有不同偏振方向、不同偏振度的太阳光形成了特定的偏振态分布，即大气偏振模式。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，主要包括大气偏振度、偏振化方向等参数，其中蕴含着重要的导航信息。

瑞士苏黎世大学的Rüdiger Wehner教授及其团队一直致力于沙蚁等生物的偏振光导航行为和仿生偏振光导航机理方面的研究，其提出的POL-neuron模型在仿生偏振光导航传感器的研制中有着里程碑式的意义，并被国内外的研究者一直沿用至今。

目前偏振导航信息检测传感器，主要是基于POL-neuron模型，即包含至少两组偏振光采集单元，每个偏振光采集单元由一对偏振化方向相互垂直的偏振光采集通道和一个对数放大器组成。光电二极管将蕴含大气偏振信息的光信号转换成电流信号，对数放大器将一个偏振光采集单元中的两个光电二极管输出的电流信号进行对数处理转换成电压信号，再对电压信号进行采集和处理，进而计算出大气偏振模式中的偏振度信息和偏振化方向信息。检测通道多，硬件电路复杂，集成度普遍不高，计算过程复杂，实际应用中难以保证各个偏振光采集通道的偏振化方向与理论值一致，同时各个通道的增益一致性不能保证，导致了偏振导航信息检测传感器存在不可避免的正交误差和各个通道增益差异误差，使其精度普遍不高。

发明内容：

本发明为解决上述现有技术所存在的问题，提供一种集成度高、检测精度高且适用范围广的独立通道偏振导航信息检测传感器，以提高大气偏振导航信息检测的精度。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种独立通道偏振导航信息检测传感器的特点是所述传感器的组成包括偏振光采集模块、无偏通道和信号处理与运算模块；

所述偏振光采集模块具有三个相互独立的偏振采集通道，所述每个偏振采集通道是由滤光片、偏振片和光电二极管组成；所述光电二极管采集经过所述滤光片和偏振片的光线后输出偏振电流信号给所述信号处理与运算模块；

所述无偏通道是由滤光片和光电二极管组成；所述无偏通道的光电二极管采集经过滤光片的光线输出基准电流信号给所述信号处理与运算模块；

所述信号处理与运算模块的组成包括多路开关、I/V转换器、可变增益放大器、A/D转换器、控制MCU和处理MCU；

所述多路开关接收所述三个偏振采集通道的三路偏振电流信号和所述无偏通道的基准电流信号共四路电流信号，所述控制MCU控制所述多路开关分时所述四路电流信号给所述I/V转换器；所述I/V转换器将不同时段接收的电流信号转换为电压信号输出给所述可变增益放大器，所述可变增益放大器对所述电压信号进行放大处理后输出给所述A/D转换器，所述A/D转换器将所述电压信号转换为数字信号传递给所述处理MCU，所述处理MCU接收所述数字信号后对基准电流信号所转换得到的数字信号进行判断，若所述基准电流信号所转换得到的数字信号值在所设定的电压范围内，则所述处理MCU对偏振电流信号所转换得到的三路数字信号进行计算处理获得偏振导航信息；若所述基准电流信号所转换得到的数字信号值超出所设定的电压范围，则所述处理MCU发出增益指令给控制MCU，所述控制MCU接收所述增益指令对所述可变增益放大器的增益倍数进行调节，所述处理MCU重新接收所述A/D转换器所传递的各路电压信号进行判断和处理。

本发明利用独立通道偏振导航信息检测传感器的偏振导航信息计算方法是按如下步骤进行：

步骤1、将由所述三路偏振电流信号转换而得的三路电压信号S₁(φ)、S₂(φ)和S₃(φ)分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1\left(\mathrm{\φ}\right)=\mathrm{kI}(1+d\cos 2(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_1))\\ S_2\left(\mathrm{\φ}\right)=\mathrm{kI}(1+d\cos 2(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_2))\\ S_3\left(\mathrm{\φ}\right)=\mathrm{kI}(1+d\cos 2(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_3))\end{array}\right.$    (1)

式(1)中，k为增益倍数，I为光强系数，d为大气偏振模式中的偏振度，φ为大气偏振模式中的偏振角，φ₁、φ₂和φ₃为三个偏振采集通道各偏振片的初始相位，设定φ₁＝0，且φ₁、φ₂和φ₃不相等；

步骤2、令x＝dcos2φ、y＝dsin2φ、a＝S₂(φ)/S₁(φ)和b＝S₃(φ)/S₁(φ)，将式(1)变换为式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{b\sin 2{\mathrm{\φ}}_2-\sin 2{\mathrm{\φ}}_2-a\sin 2{\mathrm{\φ}}_3+\sin 2{\mathrm{\φ}}_3}{\sin 2{\mathrm{\φ}}_2{\cos 2\mathrm{\φ}}_3+{a\sin 2\mathrm{\φ}}_3-{\cos 2\mathrm{\φ}}_2{\sin 2\mathrm{\φ}}_3-{b\sin 2\mathrm{\φ}}_2}\\ y=\frac{a+\mathrm{ax}-1-{x\cos 2\mathrm{\φ}}_2}{{\sin 2\mathrm{\φ}}_2}\end{array}\right.$    (2)

步骤3、由x＝dcos2φ，y＝dsin2φ通过式(3)获得偏振度d和偏振角φ：

$\left\{\begin{array}{c}d=\sqrt{x^2+y^2}\\ \mathrm{\φ}=\frac{1}{2}\arccos (x/d)\end{array}\right.$    (3)

式(3)中，偏振角φ的值域为[0,π/2]；

步骤4、将偏振角φ带入y＝d′sin2φ，获得中间变量d′；根据中间变量d′的值将偏振角φ的值域利用式(4)扩展为[0,π]：

$\mathrm{\&phi;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&phi;},& d^{\&prime;}>0\\ \mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&phi;},& d^{\&prime;}<0\end{array}\right.$    (4)

步骤5、利用式(5)获得导航角φ₀为：

φ₀＝φ+π/2+φ_SM   (5)

式(5)中，φ_SM为太阳子午线与地理正北的夹角。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明针对传统偏振导航信息检测传感器需要至少两对相互垂直的偏振光采集通道结构的不足之处，采用了三个相互独立的偏振光采集通道进行大气偏振导航信息检测，可以对传感器三路通道的偏振信息进行单独的处理，且对三路通道之间的相对偏振角度关系没有特殊的要求，克服了传统偏振导航信息检测传感器存在的正交误差以及各个通道原始信息难以获得等问题，显著提高大气偏振导航信息检测的精度。

2、本发明针对传统偏振导航信息传感器各个通道增益的不一致性，利用控制MCU对多路开关进行分时复用控制，使得三个偏振光采集通道分时复用信号处理与运算模块，保证各通道增益的一致性，大幅降低各个通道增益差异误差。

3、本发明提出的独立通道偏振导航信息检测传感器具有可变增益放大器，可以针对不同的光线强度自动调节各通道增益大小，提高偏振导航信息检测传感器的适用范围。

4、本发明的偏振导航信息计算方法直接对三个偏振采集通道最终输出的电压值数据进行计算得到偏振角和偏振度，然后对偏振角进行角度变换得到导航角。而传统偏振导航信息计算方法是对经过对数处理的数据进行计算，本发明的偏振导航信息计算方法与其相比，简化了计算过程，降低了计算复杂度，更适合在MCU中实现偏振导航信息的实时计算。

附图说明：

图1为本发明整体模块示意图；

图2为本发明三个偏振光采集通道分布示意图；

图3为本发明参考方向在地理坐标系中的表征示意图。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，独立通道偏振导航信息检测传感器包括偏振光采集模块、无偏通道和信号处理与运算模块；

偏振光采集模块是由三个独立偏振采集通道构成，每个偏振采集通道是由滤光片、偏振片和光电二极管组成；光电二极管采集经过滤光片和偏振片的光线后输出一路偏振电流信号给信号处理与运算模块。

无偏通道是由滤光片和光电二极管组成；无偏通道的光电二极管采集经过滤光片的光线输出基准电流信号给信号处理与运算模块；该基准电流信号仅与该无偏通道接收到的光线强度有关，基准电流信号大小作为本传感器增益放大器的增益大小基准，经过信号处理与运算模块的处理和计算后，为可变增益放大器提供参数调节的基准。

信号处理与运算模块的组成包括多路开关、I/V转换器、可变增益放大器、A/D转换器、控制MCU和处理MCU；

多路开关的选路过程是在控制MCU控制下完成的，三个独立偏振采集通道和一个无偏通道在多路开关的作用下依次与I/V转换器联通，经过I/V转换器、可变增益放大器、A/D转换器进行电流到电压的转换、电压放大、模数转换等操作；

具体地，多路开关接收偏振光采集模块的三路偏振电流信号和无偏通道的基准电流信号，多路开关在控制MCU的控制下完成一次通道的切换后，控制MCU发送采集指令给处理MCU使控制MCU进行一次数据采集；处理MCU采集完一次数据发送切换指令给控制MCU使控制MCU控制多路开关选取下一个通道与I/V转换器联通，从而实现控制MCU控制多路开关分时输出四路电流信号给I/V转换器；I/V转换器将不同时段接收的各路电流信号转换为电压信号输出给可变增益放大器，可变增益放大器对各路电压信号进行放大处理后输出给A/D转换器，A/D转换器将各路电压信号转换为各路数字信号传递给处理MCU，处理MCU依次完成三个独立偏振采集通道和一个无偏通道的数据采集，采集得到的四个数字信号作为一组数字信号；处理MCU首先判断采集获得的无偏通道的数字信号是否在所设定的电压范围，若无偏通道的数字信号在所设定的电压范围内，则处理MCU对采集获得的三个偏振光采集通道的数字信号进行计算获得偏振导航信息，偏振导航信息包括大气偏振模式中的偏振角信息、偏振度信息和导航角信息；若无偏通道的数字信号超出所设定的电压范围，则处理MCU发出增益指令给控制MCU，控制MCU接收增益指令对可变增益放大器的增益倍数进行调节，之后处理MCU重新进行一组数据的采集、判断和处理。

参见图2，三个偏振采集通道各偏振片的初始相位分别为φ₁、φ₂和φ₃，分别对应传感器三个偏振采集通道偏振片的放置方向，φ₁、φ₂和φ₃值的大小均不相等。设定φ₁为该传感器的参考方向，即φ₁＝0，如图2中标注为Y方向，此处Y方向为定义，随着传感器的转动而转动；如图3所示，φ为传感器参考方向与检测点大气偏振化方向的夹角，即大气偏振模式中的偏振角，φ_SM为太阳子午线与地理正北方向的夹角，φ₀为传感器参考方向与地理正北方向的夹角，即导航角。利用独立通道偏振导航信息检测传感器进行偏振导航信息的计算是按如下过程进行：

步骤1、将A/D转换器接收的三路偏振电流信号所转换得到的三路电压信号表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1\left(\mathrm{\&phi;}\right)=\mathrm{kI}(1+d\cos 2(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_1))\\ S_2\left(\mathrm{\&phi;}\right)=\mathrm{kI}(1+d\cos 2(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_2))\\ S_3\left(\mathrm{\&phi;}\right)=\mathrm{kI}(1+d\cos 2(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_3))\end{array}\right.$    (6)

式(1)中，k为增益倍数，其值随着可变增益放大器的增益改变而变化，该传感器利用分时复用技术可以保证各通道的增益倍数k的一致性。I为光强系数，d为大气偏振模式中的偏振度；S₁(φ)、S₂(φ)和S₃(φ)为该传感器三个偏振光采集通道输出的偏振电流信号经I/V转换器和可变增益放大器后的电压值，为该传感器测量值；增益倍数k、光强系数I、偏振度d和偏振角φ为未知值，其中偏振度d和偏振角φ为待求值；初始相位φ₁、φ₂和φ₃是已知值。为求得偏振导航信息，即需要对式(1)求解，求出偏振度d和偏振角φ。

步骤2、令x＝dcos2φ、y＝dsin2φ、a＝S₂(φ)/S₁(φ)和b＝S₃(φ)/S₁(φ)，并代入式(1)进行公式变换获得式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{b\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_2-\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_2-a\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_3+\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_3}{\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_2{\cos 2\mathrm{\&phi;}}_3+{a\sin 2\mathrm{\&phi;}}_3-{\cos 2\mathrm{\&phi;}}_2{\sin 2\mathrm{\&phi;}}_3-{b\sin 2\mathrm{\&phi;}}_2}\\ y=\frac{a+\mathrm{ax}-1-{x\cos 2\mathrm{\&phi;}}_2}{{\sin 2\mathrm{\&phi;}}_2}\end{array}\right.$    (7)

式(2)中，由于初始相位φ₁、φ₂和φ₃不要求为特定的某组值，与传统偏振导航信息检测传感器相比有效解决了正交误差对偏振导航信息获取精度的影响。

步骤3、由x＝dcos2φ，y＝dsin2φ通过式(3)获得偏振度d和偏振角φ：

$\left\{\begin{array}{c}d=\sqrt{x^2+y^2}\\ \mathrm{\&phi;}=\frac{1}{2}\arccos (x/d)\end{array}\right.$    (8)

式(3)中，由于用到了反函数求解过程，因此偏振角φ的值域为[0,π/2]；

步骤4、为增加偏振角响应范围，将偏振角φ带入y＝d′sin2φ，获得中间变量d′；根据中间变量d′的值将偏振角φ的值域利用式(4)扩展为[0π]：

$\mathrm{\&phi;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&phi;},& d^{\&prime;}>0\\ \mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&phi;},& d^{\&prime;}<0\end{array}\right.$    (9)

步骤5、利用式(5)获得导航角φ₀为：

φ₀＝φ+π/2+φ_SM   (10)

从而获得了由偏振度d、偏振角φ和导航角φ₀构成的偏振导航信息。

Claims (2)

1.一种独立通道偏振导航信息检测传感器，其特征是所述传感器的组成包括偏振光采集模块、无偏通道和信号处理与运算模块；

所述偏振光采集模块具有三个相互独立的偏振采集通道，所述每个偏振采集通道是由滤光片、偏振片和光电二极管组成；所述光电二极管采集经过所述滤光片和偏振片的光线后输出偏振电流信号给所述信号处理与运算模块；

所述无偏通道是由滤光片和光电二极管组成；所述无偏通道的光电二极管采集经过滤光片的光线输出基准电流信号给所述信号处理与运算模块；

所述信号处理与运算模块的组成包括多路开关、I/V转换器、可变增益放大器、A/D转换器、控制MCU和处理MCU；

所述多路开关接收所述三个偏振采集通道的三路偏振电流信号和所述无偏通道的基准电流信号共四路电流信号，所述控制MCU控制所述多路开关分时所述四路电流信号给所述I/V转换器；所述I/V转换器将不同时段接收的电流信号转换为电压信号输出给所述可变增益放大器，所述可变增益放大器对所述电压信号进行放大处理后输出给所述A/D转换器，所述A/D转换器将所述电压信号转换为数字信号传递给所述处理MCU，所述处理MCU接收所述数字信号后对基准电流信号所转换得到的数字信号进行判断，若所述基准电流信号所转换得到的数字信号值在所设定的电压范围内，则所述处理MCU对偏振电流信号所转换得到的三路数字信号进行计算处理获得偏振导航信息；若所述基准电流信号所转换得到的数字信号值超出所设定的电压范围，则所述处理MCU发出增益指令给控制MCU，所述控制MCU接收所述增益指令对所述可变增益放大器的增益倍数进行调节，所述处理MCU重新接收所述A/D转换器所传递的各路电压信号进行判断和处理。

2.一种利用权利要求1所述的独立通道偏振导航信息检测传感器的偏振导航信息计算方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、将由所述三路偏振电流信号转换而得的三路电压信号S₁(φ)、S₂(φ)和S₃(φ)分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1\left(\mathrm{\&phi;}\right)=\mathrm{kI}(1+d\cos 2(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_1))\\ S_2\left(\mathrm{\&phi;}\right)=\mathrm{kI}(1+d\cos 2(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_2))\\ S_3\left(\mathrm{\&phi;}\right)=\mathrm{kI}(1+d\cos 2(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_3))\end{array}\right.$    (1)

式(1)中，k为增益倍数，I为光强系数，d为大气偏振模式中的偏振度，φ为大气偏振模式中的偏振角，φ₁、φ₂和φ₃为三个偏振采集通道各偏振片的初始相位，设定φ₁＝0，且φ₁、φ₂和φ₃不相等；

步骤2、令x＝dcos2φ、y＝dsin2φ、a＝S₂(φ)/S₁(φ)和b＝S₃(φ)/S₁(φ)，将式(1)变换为式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{b\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_2-\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_2-a\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_3+\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_3}{\sin 2{\mathrm{\&phi;}}_2{\cos 2\mathrm{\&phi;}}_3+{a\sin 2\mathrm{\&phi;}}_3-{\cos 2\mathrm{\&phi;}}_2{\sin 2\mathrm{\&phi;}}_3-{b\sin 2\mathrm{\&phi;}}_2}\\ y=\frac{a+\mathrm{ax}-1-{x\cos 2\mathrm{\&phi;}}_2}{{\sin 2\mathrm{\&phi;}}_2}\end{array}\right.$    (2)

步骤3、由x＝dcos2φ，y＝dsin2φ通过式(3)获得偏振度d和偏振角φ：

$\left\{\begin{array}{c}d=\sqrt{x^2+y^2}\\ \mathrm{\&phi;}=\frac{1}{2}\arccos (x/d)\end{array}\right.$    (3)

式(3)中，偏振角φ的值域为[0,π/2]；

步骤4、将偏振角φ带入y＝d′sin2φ，获得中间变量d′；根据中间变量d′的值将偏振角φ的值域利用式(4)扩展为[0,π]：

$\mathrm{\&phi;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&phi;},& d^{\&prime;}>0\\ \mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&phi;},& d^{\&prime;}<0\end{array}\right.$    (4)

步骤5、利用式(5)获得导航角φ₀为：

φ₀＝φ+π/2+φ_SM  (5)

式(5)中，φ_SM为太阳子午线与地理正北的夹角。

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