CN106643703B - 一种基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法 - Google Patents

一种基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法，该导航方法适用于采用介质膜偏振直角分束棱镜的两通道偏振光导航系统，该方法消除了介质膜偏振直角分束棱镜分束比不为1所带来的导航参量计算误差，同时可以降低天气变化对导航精度的影响，提高使用介质膜偏振直角分束棱镜的导航系统的导航精度。

Description

一种基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法
技术领域
本发明涉及偏振光导航领域，尤其涉及一种基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法。
背景技术
大气对太阳光的瑞利散射导致天空中的散射光具有部分偏振特性，有很多生物如蜜蜂、沙蚁用天空的这种偏振模式分布进行导航，这种偏振光导航方式不依赖于卫星导航信号，在一些特殊情况下，具有重要的应用价值，因此偏振光导航相关研究是目前的一个研究热点。
在众多的偏振光导航设计中，有一种采用直角分束棱镜分光的方法，其结构简图如附图1所示，这种方法采用介质膜偏振直角分束棱镜对入射的天空部分偏振光进行偏振分束，然后两个探测器分别接收两束光，探测给出强度信号，经放大电路进行放大，经模数转换电路将放大后的信号转换为数字信号，最后经计算机计算出偏振方位角和偏振度，利用此偏振信息进行导航。这种采用偏振分束棱镜的设计方法与通常的采用偏振薄膜片的方法相比，具有光线透过率高、系统结构简单的特点，可以提高光电探测器的信噪比，从而提高偏振度和偏振方位角的检测精度。但是采用介质膜偏振分束棱镜的设计也有其局限性，分束棱镜本身特性会导致较大的导航偏振度P和偏振方位角φ的系统误差，这主要是因为偏振分束棱镜分束比不为1且分束比随波长波动引起的，这一点在目前的系统设计中往往被忽视。以常规的介质膜偏振直角分束棱镜p光透过率95%和s光反射率99%为例，偏振度P为0的自然光入射，经偏振棱镜分束后，测得偏振度P为3%，约为晴空下天空最大偏振度的6%，约为多云天气下天空最大偏振度的15%，明显的降低了偏振导航精度。关于介质膜偏振分束棱镜器件本身分束比不为1的直观描述可参考附图2，附图2为一支普通的直角介质膜分束棱镜在垂直入射情况下的p、s两偏振分量的透射率谱（引自2006年浙江大学出版社出版的唐晋发等编著的《现代光学薄膜技术》第168页），可以看到工作波段区间内，p分量透射率是波动的，s分量透射率波动很小，即s分量的反射率波动小，所以p、s两光束的分束比不仅仅不为固定的值1，而且是随波长变化而波动的。
根据瑞利散射和米氏散射理论，散射光强度与波长和散射颗粒尺寸有密切关系，多云的天空和晴朗的天空相比，受散射颗粒尺度大小不同的影响，天空背景散射光强度随波长的分布会发生一定的变化，如上面所述，棱镜分束比是随波长波动的，因此采用分束棱镜的偏振光导航系统有必要选用合适的方法来消除分束棱镜分束比随波长波动带来的系统误差。
发明内容
为解决现有技术的缺点，本发明提供了一种新的基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法，该方法可以消除直角介质膜偏振分束棱镜分束比不为1所导致的系统误差，提高导航精度，同时该方法还可以消除直角介质膜偏振分束棱镜分束比随波长色散导致的系统误差，减小天气变化对导航参数计算精度的影响。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
如图1所述，天空背景光经准直滤光系统入射偏振分束棱镜，分束后的p、s光分别进入光电探测器，对经过放大后采集到的双通道四路光电探测器信号Dij（i，j=1，2，其中i为第i个通道，j为第j个光电探测器）进行混合运算处理，消除分束棱镜引入的系统误差，最后计算出导航偏振方位角和偏振度。
本发明将以上所述内容中的光路设计部分视为公共技术方案，本发明特征体现在对探测器信号进行混合运算处理，消除分束棱镜引入的系统误差的方法。
下面详细描述由探测器信号计算偏振度P和偏振方位角φ的具体方法。
设探测器光电转换系数为ρ(λ)，它是波长λ的函数，电路放大系数为K，分束棱镜p光透过率和s光反射率分别为Tp和Rs，P为入射天空背景光的偏振度，φ为入射天空背景光的偏振方位角，φij为第i通道第j个探测器对应的接收光的偏振方位角，则放大后的探测器信号Dij为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure DEST_PATH_IMAGE004
可定义φ11=0o，φ12=90o，φ21=45o，φ22=135o，则有：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Figure DEST_PATH_IMAGE008
令Kρ(λ)Tp=X，Kρ(λ)Rs=Y，则有：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（3）
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（4）
（1）+（2）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
(5)
（3）+（4）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
(6)
由（5）、（6）得：
(7)
（1）-（2）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
(8)
（3）-（4）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
(9)
（9）/（8）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
(10)
（1）/（2）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
(11)
（3）/（4）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
(12)
(11)2+(12)2 得：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
(13)
由（10）、（13）式可以分别计算出偏振方位角φ和偏振度P，且两式均不含K、ρ(λ)、Tp、Rs，即通过本方法，消除了增益倍数、光电转换系数、偏振分束棱镜反射率、透射率对偏振方位角φ和偏振度P测量精度的影响，消除了偏振棱镜本身特性导致的系统误差。
本发明的有益效果为：本发明所述的方法可应用于采用分束棱镜的偏振光导航系统，可消除增益倍数、光电转换系数、偏振分束棱镜反射率、透射率对偏振方位角φ和偏振度P计算精度的影响，降低系统误差。
附图说明
图一是一种采用直角分束棱镜分光的偏振导航结构简图；
图二是一支普通的介质膜直角分束棱镜透射率谱线。
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：
如图一所示，大气散射的太阳光作为天空背景光进入两个偏振探测通道，通道带有准直缩束滤色模块，光线准直缩束后经滤色片滤除偏振棱镜工作波段以外的光线，垂直入射偏振分束棱镜后分束为偏振方向垂直的两束光，分别经进入带有汇聚透镜的光电探测器探测窗口，探测器转换光强度信号为电信号。相较于第一个通道中的分束棱镜方位，第二个通道的分束棱镜放置方位绕光路轴心旋转了45°角，定义第一个通道的探测器对应偏振光振动方位φ11=0o，则φ12=90o，φ21=45o，φ22=135o，将四个探测器的信号输入信号放大模块进行放大，计算机收集到四个参量Dij（i，j=1，2，其中i为第i个通道，j为第j个光电探测器），则Dij为：
Figure 195198DEST_PATH_IMAGE006
Figure 37252DEST_PATH_IMAGE007
Figure 25936DEST_PATH_IMAGE008
令Kρ(λ)Tp=X，Kρ(λ)Rs=Y，则有：
Figure 574729DEST_PATH_IMAGE009
Figure 193930DEST_PATH_IMAGE010
Figure 336163DEST_PATH_IMAGE012
混合运算有：
Figure 739463DEST_PATH_IMAGE015
Figure 529564DEST_PATH_IMAGE016
Figure 142948DEST_PATH_IMAGE017
Figure 676697DEST_PATH_IMAGE019
Figure 934503DEST_PATH_IMAGE020
消去含X、Y得到不含K、ρ(λ)、Tp、Rs的方位角φ和偏振度P的解：
Figure 261766DEST_PATH_IMAGE021
采用上面的方法，计算出天空背景光的偏振方位角φ和偏振度P，用于偏振导航。
因为该方法在计算过程中通过混合运算的设计，使偏振方位角φ和偏振度P的解不含Tp、Rs，消除了分束棱镜分束比不为1（Tp/Rs≠1）且随波长波动的影响，因此可以提高系统对天空背景光的偏振方位角φ和偏振度P的测量精度，同时降低天气变化对偏振方位角φ和偏振度P的检测精度的影响。

Claims (1)

1.一种基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法，介质膜偏振直角分束棱镜将天空中散射的部分偏振光分解为两路线偏振光，分别被光电探测器接收，对经过放大后采集到的双通道四路光电探测器信号Dij（i，j=1，2，其中i为第i个通道，j为第j个光电探测器）进行混合运算处理，消除分束棱镜引入的系统误差，最后计算出导航偏振方位角和偏振度，其特征在于：不含分束棱镜透射系数、反射系数的偏振方位角φ和偏振度P的计算方法：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
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