CN105737818A - 基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪及其方法，其中，该导航仪包括偏振光导航传感器模块，其包括两个偏振光接收通道，所述偏振光接收通道包括沿入射光线方向同光轴上依次设置的双凸透镜、光阑、平凸透镜、滤光片和偏振分光棱镜；入射光线经所述双凸透镜汇聚后，依次经过光阑和平凸透镜形成垂直入射的光线，垂直入射的光线经滤光片滤光后获得单色偏振光，单色偏振光进入偏振分光棱镜并分成两路标准正交的光线，两路标准正交的光线均传送至光电转换模块来获取偏振光电信号；偏振光导航传感器模块将获取的偏振光电信号传送至信号处理模块，经信号处理模块处理后获取偏振导航信息，并传送至通信与显示模块进行显示。

Description

基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪及其方法

技术领域

本发明属于偏振光导航仪领域，尤其涉及一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪及其方法。

背景技术

导航主要包括卫星导航系统(GNSS)、惯性导航系统(INS)、天文导航系统(CNS)、数据库或景象参考导航系统以及无线电导航系统等。惯性导航系统(InenialNavigation)，应用牛顿力学定律，是一个积分求解的定位系统。它主要由加速度计、导航计算机、陀螺仪以及惯导平台、导航与补偿算法等组成。由安装于载体内部的加速度计和陀螺仪(通常是由三个加速度计和三个陀螺仪组成惯性测量单元)测量载体惯性空间的比力和角速度，对载体的速度、三维位置与姿态信息计算。用加速度计来测量载体运动的加速度；模拟陀螺仪与平台构造一个单行坐标系，提供测量坐标基准，并得到载体姿态和方位信息；通过导航算法，完成参数和指令值的运算；对所需参数进行分析，显示出导航数据。该系统不向外辐射能量，且不依赖外部的信息和硬件；隐蔽性好，抗干扰性强；导航数据具有连续、完整的特点，广泛应用于航空、航天、航海等领域。惯性导航是一种航位推算导航系统，由于陀螺仪漂移和加速度计误差，此系统的误差将随时间增长。

太阳光在传输过程中由于大气的散射作用而产生偏振光，并形成特定的偏振态分布，即大气偏振模式。大气偏振分布模式相对稳定，其中蕴含了丰富导航信息。自然界中许多生物如沙蚁、蜜蜂、蟋蟀，都有利用偏振光进行导航的能力。大气偏振模式是地球的自然属性之一，其在较大范围内很难受人为因素的干扰和破坏，特别是在弱/无卫星导航信号的“特殊环境下”仍然能提供导航信息。因此，仿生偏振光导航仪的研究具有重要的应用前景。

目前偏振光导航仪的结构存在的问题：例如偏振片的透振方向确定问题、滤波片的透过率不同的问题、采用圆筒时导致所探测光的偏振度降低问题等。

大气偏振信息获取是实现偏振导航的必要前提，近年来，人们通过模仿沙蚁复眼中的偏振对立结构，研制出了多种偏振传感器，提出了不同的大气偏振信息(偏振度、偏振方位角等)求解方法。但这些偏振传感器和大气偏振信息求解方法存在着很多缺陷。

(1)现有偏振传感器的偏振光镜筒都是采用依次放置：干涉滤光片、偏振片和光电探测器的结构形式。这种结构形式的缺陷是：一方面干涉滤光片放置在最上端，由于自然光是非平行光，所以入射到滤光片上的光线大部分不是垂直入射，滤光效果不理想；另一方面经过滤光片后的出射光也不是平行光，在筒壁上会有反射，如此各种光线以各种入射角照射到偏振片上，导致经过偏振片后的出射光不是真正的线偏振光，变成了椭圆偏振光。以上结构形式极易受周围环境影响，严重影响了偏振信息的测量精度及其抗干扰能力，以至于这种传感器实验需要晴天在无遮挡的楼顶才能测试，测试结果还不理想。

(2)现有偏振传感器几个偏振片被分别放置在不同的偏振光镜筒中，这种结构形式的缺陷是，难以仅靠机械调节准确满足它们的起始偏振化方向固定角度差的需要，存在定位角度误差和正交误差，直接影响到偏振方位角的测量精度。

(3)现有偏振传感器的偏振光镜筒都没有采取光束准直和光强倍增措施，这种结构形式的缺陷是，光束难以垂直照射滤光片和偏振片，光电探测器测到的光强绝大部分都是杂光(斜光)光强，换句话说噪声远远大于有用信号，严重影响偏振信息测量结果。如果滤除斜光，垂直照射光束的光强太弱，光电探测器几乎探测不到，无法得到所需偏振信息。

(4)目前偏振导航信息检测器，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双对数放大器构成。光电二极管将蕴含大气偏振信息的光信号转换为电流信号，双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，再对电压信号进行数据采集和处理，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

为了解决现有技术的缺点，本发明提供了一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪及其方法，该的两通道仿生偏振光导航仪集成度高、检测精度高且适用范围广，能够提高大气偏振导航信息检测的精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪，包括偏振光导航传感器模块，其包括两个偏振光接收通道，所述偏振光接收通道包括沿入射光线方向同光轴上依次设置的双凸透镜、光阑、平凸透镜、滤光片和偏振分光棱镜；入射光线经所述双凸透镜汇聚后，依次经过光阑和平凸透镜形成垂直入射的光线，垂直入射的光线经滤光片滤光后获得单色偏振光，单色偏振光进入偏振分光棱镜并分成两路标准正交的光线，两路标准正交的光线均传送至光电转换模块来获取偏振光电信号；

所述偏振光导航传感器模块将获取的偏振光电信号传送至信号处理模块，经信号处理模块处理后获取偏振导航信息，并传送至通信与显示模块进行显示。

所述滤光片为干涉滤光片。

所述光电转换模块为光电探测器。

所述光阑为孔径光阑。

所述信号处理模块包括光电调理电路，所述光电调理电路与微处理器相连。

所述光电调理电路包括放大器，所述放大器一端与光电转换模块相连，另一端与A/D转换电路相连。

所述放大器为双对数放大器。

所述通信与显示模块包括ZigBee模块和显示模块，所述ZigBee模块一端与信号处理模块相连，另一端与显示模块相连。

一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪的导航信息计算方法，包括：

步骤(1)：建立两个偏振分光棱镜输出的四路光信号转换的电信号分别与光强系数、光信号的初始相位、大气偏振中的偏振度和大气偏振中的偏振方位角之间的关系式；

步骤(2)：预设这四路光信号的初始相位，对这四路光信号转换的电信号进行计算，得到大气偏振中的偏振度和大气偏振中的偏振方位角导航信息。

所述步骤(1)中，每路光信号转换的电信号的表达式为：D_ij＝KI_i(1+pcos2(φ-φ_ij))，其中，D_ij表示第i个偏振分光棱镜的第j路光信号转换的电信号；K为增益倍数且为常数；I_i表示第i个偏振分光棱镜透过的光强系数且为常数；p为大气偏振中的偏振度；φ为大气偏振中的偏振角；φ_ij表示第i个偏振分光棱镜的第j路光信号的初始相位；i＝1,2；j＝1,2。

本发明的有益效果为：

(1)本发明对光线处理通道进行了改进，采用偏振分光棱镜，使得一个通道产生两条垂直的偏振光，减少了硬件结构，消除偏振光由于放置位置不佳引起的误差；

在偏振光的获取方面做了改进，光线首先通过双凸透镜汇聚于一点，然后依次通过光阑和平凸透镜发散为平行光，此三种器件的使用可以保证只接收平行光，使光电探测器接收到的光线更纯净，提高了传感器的分辨率；

(2)在平凸透镜的下面为滤光片，平凸透镜的下面为偏振片，其中偏振片选用偏振分光棱镜，偏振分光棱镜可把入射光分为正交的两路光，这个偏振分光棱镜就相当于两个理想状况下的偏振片，消除了偏振片在安装时产生的误差；

(3)本发明直接对两个偏振通道中的四条偏振光产生的电压进行计算得到偏振角和偏振度，然后对偏振角度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，相互垂直的两条偏振光电信号直接进入双对数放大器进行计算，计算式还要进行去对数处理，本发明的偏振导航信息计算放大与其相比，简化了计算过程，降低了计算复杂度；

(4)本发明增加了通信与显示模块，可以更方便的连接计算机进行更进一步的数据处理，可以在液晶上直观的显示导航角。

附图说明

图1是本发明的基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪的实施例一结构图；

图2是本发明的基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪的实施例二结构图；

图3是本发明的滤光片性能曲线图；

图4是本发明的双对数放大器电路图；

图5是本发明的A/D转换电路图；

图6是本发明的基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪的导航信息计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明的基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪的其中一种结构：

两通道仿生偏振光导航仪包括偏振光导航传感器模块，其包括两个偏振光接收通道，所述偏振光接收通道包括沿入射光线方向同光轴上依次设置的双凸透镜、光阑、平凸透镜、滤光片和偏振分光棱镜；入射光线经所述双凸透镜汇聚后，依次经过光阑和平凸透镜形成垂直入射的光线，垂直入射的光线经滤光片滤光后获得单色偏振光，单色偏振光进入偏振分光棱镜并分成两路标准正交的光线，两路标准正交的光线均传送至光电转换模块来获取偏振光电信号；

所述偏振光导航传感器模块将获取的偏振光电信号传送至信号处理模块，经信号处理模块处理后获取偏振导航信息，并传送至通信与显示模块进行显示。

为了增强信号处理模块接收到的光照强度以及进一步减少获取偏振导航信息的误差，本发明还给出基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪的另一种结构，如图2所示。

图2中的两通道仿生偏振光导航仪包括：偏振光导航传感器模块，其包括两个偏振光接收通道，所述偏振光接收通道包括沿入射光线方向同光轴上依次设置的双凸透镜、光阑、平凸透镜、滤光片和偏振分光棱镜；入射光线经所述双凸透镜汇聚后，依次经过光阑和平凸透镜形成垂直入射的光线，垂直入射的光线经滤光片滤光后获得单色偏振光，单色偏振光进入偏振分光棱镜并分成两路标准正交的光线；

在偏振分光棱镜与信号处理模块之间，偏振分光棱镜的出射光线主轴上再设置一个平凸透镜，该平凸透镜用于把平行光汇聚成一点，照射至信号处理模块，可使照射到信号处理模块中的光照强度大大增强，进一步减小误差，同时使传感器在光线比较弱的情况下正常工作。

所述偏振光导航传感器模块将获取的偏振光电信号传送至信号处理模块，经信号处理模块处理后获取偏振导航信息，并传送至通信与显示模块进行显示。

本发明的滤光片为干涉滤光片。在本实施例中，干涉滤光片以蓝光滤光片为例：

蓝光滤光片的材质为浮法玻璃，中心波长为450nm，峰值透过率大于88％，滤光片的性能曲线如图3所示。

由如图3可以看出，偏振光经过滤光片后的波长被限制在400nm-500nm范围内，因此应选用对该波段敏感的光电探测器。本实施例的光电探测器选用日本滨松公司生产的光电二极管S1087：

S1087是一款陶瓷封装光电二极管，具有极低的暗电流。由于采取的是陶瓷封装，封闭性比较好，可以有效的阻止杂散光进入感光面，很好的解决了干扰光线对系统的影响。S1087的光谱响应范围为320-730nm，峰值波长为560nm，灵敏度为0.3A/W，暗电流仅为10pA适合于本发明的传感器的设计。

偏振分光棱镜能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。

其中，光阑为孔径光阑。孔径光阑滤掉非垂直方向偏振光，能够最有效的控制光束光能量。进一步地，信号处理模块包括光电调理电路，所述光电调理电路与微处理器相连。

更进一步地，光电调理电路包括放大器，所述放大器一端与光电转换模块相连，另一端与A/D转换电路相连。

光电二极管S1087的输出是十分微弱的电流信号，需要进行放大，转化为电压信号，才可以进行进一步的处理，首先要选择合适的放大电路。

本实施例中放大器为双对数放大器。本发明选用的是美国亚诺德半导体公司(ADI)生产的ADL5310双对数放大器。ADL5310是一款双通道对数放大器。ADL5310可以将电流信号转换为电压信号。此放大器专为光电应用设计，具有极宽的动态输入范围，可以应用于各种光电处理场合。ADL5310内置有两个相互独立的电流信号输入通道，每个通道可以单独配置斜率和截距。两个通道共用一个内部偏置电路，可以使两个通道达到最大程度的匹配。

针对ADL5310的以上特点，选择此芯片对光电二极管产生的电流信号进行调理转换，设计的电路图如图4所示。ADL5310共有4个输入端，分别为INP1、IRF1、INP2和IRF2。其中，INP1为通道1的光电二极管电流输入端，IRF1为通道1的参考电流输入端；INP2为通道2的光电二极管电流输入端，IRF2为通道2的参考电流输入端。VREF引脚为参考电压端，其电压值为2.5V。在VREF端和IRF端接了一个665K的电阻，将参考电流限制在300pA。

微处理器只能对离散的数字信号进行处理，因此需要使用ADC芯片对此模拟电压信号进行AD转换，将其转换成数字信号。

本发明的传感器属于高精密系统，最低应该选择16位精度的ADC芯片。综上采样频率、分辨率、采集通道数等标准要求，本仿生偏振光导航传感器采用的是美国德州仪器(TI)公司生产的ADS8331模数转换器。

ADS8331模数转换器是美国德州仪器(TI)公司生产的16位精度、4个输入通道无丢失码(NMC)的高精度、高性能、低功耗的逐次逼近型寄存器(SAR)模数转换器，其内部包含了一个单级4通道输入多路复用器

依据ADS8331芯片的特点，设计的ADS8331硬件电路，如图5所示。在信号的输入端和参考电压的输入端都设有低通滤波器，用于减小噪声干扰。在图5中，ADS8331芯片的MUXOUT端还连接至运算放大器OPA211的正输入端，运算放大器OPA211的负输入端与运算放大器OPA211的输出端相连。

微处理器通常是整个系统的核心部分，是整个系统的中枢，决定着系统的运行机制、通信方法、控制方法，其性能决定整个系统的运行效果。微处理器选型主要考虑以下几个方面：处理能力、供电、运行频率、功耗、存储容量等因素。我们选用了意法半导体公司的新型32位ARM内核处理器芯片STM32F103x增强型系列中的STM32F103CBT6。STM32F103x系列基于ARMCortex-M3内核，具有高性能、低成本、低功耗等特点。

其中，通信与显示模块包括ZigBee模块和显示模块，所述ZigBee模块一端与信号处理模块相连，另一端与显示模块相连。

本发明的ZigBee模块选用的是美国德州仪器(TI)公司的CC2530射频芯片系列中的CC2530F256。CC2530F256具有较宽的工作电压范围，为2-3.6V；具有极高的灵敏度和抗干扰特性；具有256KB的超大Flash；内置低功耗的8051微控制器内核；具有2个串行USART通信接口。

为了实现便携性和低功耗的要求，本发明选用的是OLED显示技术。OLED显示技术，即有机发光二极管(OrganicLight-EmittingDiode)显示技术，与传统的LCD显示技术相比，有非常突出的优点。OLED不需要背光源，具有自发光的性质，当有电流通过时，OLED就会发光，因此OLED显示屏可以做得更轻更薄，并且十分节省电能。

如图6所示，本发明的基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪的导航信息计算方法，包括：

步骤(1)：建立两个偏振分光棱镜输出的四路光信号转换的电信号分别与光强系数、光信号的初始相位、大气偏振中的偏振度和大气偏振中的偏振方位角之间的关系式；

步骤(2)：预设这四路光信号的初始相位，对这四路光信号转换的电信号进行处理，计算得到大气偏振中的偏振度和大气偏振中的偏振方位角导航信息。

针对以上改进的仿沙蚁POL神经元的偏振光传感器，具体的计算方法如下：

用光电探测器D₁₁、D₁₂、D₂₁、D₂₂分别探测偏振分光棱镜P₁、P₂所出射的P光、S光。探测器的输出信号分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{11}={\mathrm{KI}}_1(1+p\cos 2(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_{11}\left)\right)\\ D_{12}={\mathrm{KI}}_1(1+p\cos 2(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_{12}\left)\right)\\ D_{21}={\mathrm{KI}}_2(1+p\cos 2(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_{21}\left)\right)\\ D_{22}={\mathrm{KI}}_2(1+p\cos 2(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_{22}\left)\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，D_ij表示第i个偏振分光棱镜的第j路光信号转换的电信号；K为增益倍数且为常数；I_i表示第i个偏振分光棱镜透过的光强系数且为常数；p为大气偏振中的偏振度；φ为大气偏振中的偏振角；φ_ij表示第i个偏振分光棱镜的第j路光信号的初始相位；i＝1,2；j＝1,2。

设定φ₁₁＝0，φ₁₂＝90°，φ₂₁＝45°，φ₂₂＝135°，则式(1)可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{11}={\mathrm{KI}}_1(1+p\cos 2\mathrm{\φ})\\ D_{12}={\mathrm{KI}}_1(1-p\cos 2\mathrm{\φ})\\ D_{21}={\mathrm{KI}}_2(1+p\sin 2\mathrm{\φ})\\ D_{22}={\mathrm{KI}}_2(1-p\sin 2\mathrm{\φ})\end{array}\right.---\left(2\right)$

为了抵消增益倍数的影响，对这四个电信号做差除和的信号处理，得到：

$S_1=\frac{D_{11}-D_{12}}{D_{11}+D_{12}}---\left(3\right)$

$S_2=\frac{D_{21}-D_{22}}{D_{21}+D_{22}}---\left(4\right)$

其中，S₁、S₂分别为运算过程中的中间参数；

S₁＝pcos2φ(5)

S₂＝psin2φ(6)

偏振度p表示为：

$p^2=S_1^2+S_2^2---\left(7\right)$

偏振方位角φ可表示为：

$\mathrm{\φ}=\frac{1}{2}arccos(S_1/p)=\frac{1}{2}arcsin(S_2/p)---\left(8\right)$

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪，其特征在于，包括偏振光导航传感器模块，其包括两个偏振光接收通道，所述偏振光接收通道包括沿入射光线方向同光轴上依次设置的双凸透镜、光阑、平凸透镜、滤光片和偏振分光棱镜；入射光线经所述双凸透镜汇聚后，依次经过光阑和平凸透镜形成垂直入射的光线，垂直入射的光线经滤光片滤光后获得单色偏振光，单色偏振光进入偏振分光棱镜并分成两路标准正交的光线，两路标准正交的光线均传送至光电转换模块来获取偏振光电信号；

所述偏振光导航传感器模块将获取的偏振光电信号传送至信号处理模块，经信号处理模块处理后获取偏振导航信息，并传送至通信与显示模块进行显示。

2.如权利要求1所述的一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪，其特征在于，所述滤光片为干涉滤光片。

3.如权利要求1所述的一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪，其特征在于，所述光电转换模块为光电探测器。

4.如权利要求1所述的一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪，其特征在于，所述光阑为孔径光阑。

5.如权利要求1所述的一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪，其特征在于，所述信号处理模块包括光电调理电路，所述光电调理电路与微处理器相连。

6.如权利要求5所述的一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪，其特征在于，所述光电调理电路包括放大器，所述放大器一端与光电转换模块相连，另一端与A/D转换电路相连。

7.如权利要求6所述的一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪，其特征在于，所述放大器为双对数放大器。

8.如权利要求1所述的一种基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪，其特征在于，所述通信与显示模块包括ZigBee模块和显示模块，所述ZigBee模块一端与信号处理模块相连，另一端与显示模块相连。

9.一种如权利要求1-8任一所述的基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪的导航信息计算方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：建立两个偏振分光棱镜输出的四路光信号转换的电信号分别与光强系数、光信号的初始相位、大气偏振中的偏振度和大气偏振中的偏振方位角之间的关系式；

步骤(2)：预设这四路光信号的初始相位，对这四路光信号转换的电信号进行差除和的信号处理，计算得到大气偏振中的偏振度和大气偏振中的偏振方位角导航信息。

10.如权利要求9所述的导航信息计算方法，其特征在于，所述步骤(1)中，每路光信号转换的电信号的表达式为：D_ij＝KI_i(1+pcos2(φ-φ_ij))，其中，D_ij表示第i个偏振分光棱镜的第j路光信号转换的电信号；K为增益倍数且为常数；I_i表示第i个偏振分光棱镜透过的光强系数且为常数；p为大气偏振中的偏振度；φ为大气偏振中的偏振角；φ_ij表示第i个偏振分光棱镜的第j路光信号的初始相位；i＝1,2；j＝1,2。