CN107356248A - 一种具有环境适应性的多光谱偏振导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有环境适应性的多光谱偏振导航系统，其主要用于不同环境下不同波段的偏振光谱检测，提高现有偏振导航系统的环境适应性，该系统主要由遮光罩，外界环境感知模块，卫星导航模块，自适应可调多光谱滤光模块，偏振检测传感器模块，惯性导航模块、无线数传模块和控制模块组成；偏振检测模块为基于分光棱镜的六通道式偏振检测传感器，检测芯片采用增强型光电转换芯片，保证在不同波段的滤光片下都可以进行高精度的偏振信息解算。自适应可调多光谱滤光模块包括紫外、蓝光和绿光三种波段的滤光片，可以通过分析外界环境感知模块和卫星导航模块反馈的信息进行自主切换。

Description

一种具有环境适应性的多光谱偏振导航系统

技术领域

本发明涉及一种具有环境适应性的多光谱偏振导航系统，属于仿生偏振导航领域。

背景技术

自然光进入地球的大气层以后，遇到大气中的粒子和尘埃会发生散射，从而形成不同状态的偏振光。根据瑞利散射定律，理想情况下，大气偏振模式以太阳子午线和反太阳子午线呈对称分布，虽然太阳高度角和方位角随时间的变化会导致对称线的移动，但是大气偏振模式始终保持对称性。1985年，Wehner和Rossel首次在对沙蚁的行为研究中发现它们可以利用天空的这种偏振模式进行导航，随后人们对生物的偏振视觉产生了浓厚的兴趣，并发现蝗虫、蜜蜂等昆虫都具有利用大气偏振模式进行导航与定位的能力，而且在不同环境中生活的昆虫感受偏振光的波段是不同的，比如田野蟋蟀感受蓝光波段，鳃金龟感受绿光波段，沙蚁等感受紫外波段。通过多年的解剖实验、电生理实验和神经生理学实验等，人们开始从昆虫的复眼结构解析昆虫的偏振视觉，并通过对昆虫复眼功能结构的进一步分析，研制出了多种仿生偏振导航传感器。

目前的仿生偏振传感器主要是基于沙蚁复眼神经元模型，将偏振光的光强信息转化为电信号从而进行解算。专利号为200810229778.4的基于偏振仿生原理的指南针，提出了一种基于光电检测模型的偏振传感器，通过三个不同方向的检偏器和光电转换模块解算方位信息。但是由于采用圆形偏振片，初始安装方向存在正交误差。专利号为201510324186.0的基于分光棱镜的全光路偏振传感器利用分光棱镜在理论上克服了安装时的正交误差，并具有很高的集成度，优化了光路，提高了传感器精度。但是没有考虑到环境中不同波段偏振光对偏振信息解算的影响，只利用一种颜色的偏振光，对偏振光信息利用不充分。专利号为201610076299.8的基于偏振分光棱镜的两通道仿生偏振光导航仪及其方法中，提出了利用透镜改变光路，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，同时利用分光棱镜减小正交误差。但是仍然没有考虑到不同的外界环境和地理位置对偏振信息的影响。

总之，现有技术虽然可以检测偏振信息，并解算偏振方位角用于导航，但是都只是检测单一波段偏振信息或者全波段偏振信息，没有考虑到不同波段偏振光对偏振检测和解算精度的影响。本发明采用高精度驱动装置连接可旋转滤光片结构，通过外界环境感知模块和卫星导航模块确定传感器初始地理位置和外界环境信息，根据外界环境的天气、光强和地理位置信息来确定滤光波段的选择。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有环境适应性的多光谱偏振导航系统，通过对地理位置、外界环境天气情况和光强信息的监测，克服了不同环境中不同波段偏振光对偏振导航信息解算的影响，对偏振光信息利用更充分，从而提高了传感器环境适应性。

本发明的技术方案是：一种具有环境适应性的多光谱偏振导航系统，包括遮光罩、外界环境感知模块、卫星导航模块、自适应可调多光谱滤光模块、偏振检测传感器模块、无线数传模块、惯性导航模块和控制模块；其中遮光罩和偏振检测传感器模块由螺丝通过螺口固定，遮光罩屏蔽外界环境中的反射光影响；在遮光罩上的凹槽内，通过螺孔固定外界环境感知模块和卫星导航模块，检测环境光强和传感器的地理位置信息，发送给控制模块；自适应可调多光谱滤光模块放在偏振检测传感器模块中的凹槽内，集成度高，不会增加传感器体积；自适应可调多光谱滤光模块还包含三种波段的滤光片，接收控制模块的控制信号，实现多光谱切换功能；偏振检测传感器模块包含三组基于分光棱镜的偏振对立检测通道，用于解算偏振导航信息；控制模块、无线数传模块和惯性导航模块集成在一起，通过螺孔固定在导航系统的底座中，无线数传模块用于各个模块之间的通讯，惯性导航模块用于检测本发明的实时姿态，与解算出来的偏振导航信息即航向角和偏振度相辅相成，解算出传感器初始三维姿态角，提高导航系统精度和可用性；控制模块根据外界环境感知模块和卫星导航模块提供的反馈信息对地理位置、外界环境天气情况和光强信息的监测，驱动自适应可调多光谱滤光模块，采用不同波段的滤光片获取三种不同波段的偏振光信息用于导航解算，从仿生学角度提高传感器精度。

所述遮光罩包括三个通光孔，通光孔中安装双凸透镜、光阑和平凸透镜结构，将外界光线改变为垂直入射的光线照射到分光棱镜上，由分光棱镜产生两束互相垂直的线偏振光用于偏振信息解算。

所述自适应可调多光谱滤光模块由圆形滤光片平台、高精度传动轴(旋转精度为0.01°)和驱动模块组成；在圆形滤光片平台的孔中依次按顺序安装蓝光、绿光和紫外波段的滤光片，三种波段为一组，一共三组，保证同一时刻三个偏振检测通道上方的滤光片波段相同；驱动模块通过高精度传动轴与圆形滤光片平台相连，放在偏振光检测模块中的凹槽内，驱动模块底部通过过孔与控制模块的通讯接口连接，接收控制模块输出的控制信号，完成自适应滤光波段选择。

所述偏振光检测模块由三组偏振检测结构组成，每组检偏结构包括一个分光棱镜和两个光电转换模块，在每组检偏结构中，外界光线经过遮光罩中的透镜结构改变光路，遮光罩通过螺孔与偏振光检测模块固定，光线透过通光孔照射到偏振分光棱镜上，进而分光棱镜将光线分为两束互相垂直的线偏振光照射到两个光电转换模块上，光电转换模块采用16位增强型数字光电检测芯片，并通过底部的通孔与底座中的控制模块通讯接口相连，将偏振光信号转换为数字信号后输出给控制模块，进行导航解算；整个偏振光检测模块嵌入到底座圆形凹槽中，通过螺孔与底座固定。

控制模块采用DSP芯片，用于提高系统运算速度；惯性导航模块由水平双轴加计组成，测量解算传感器静态下的水平姿态信息，即俯仰角和横滚角。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)与常规的单一波段偏振导航传感器相比，本发明中的偏振检测传感器模块从仿生学的角度出发，充分考虑不同昆虫物种在适应不同环境时进化出相应波段的偏振光感受器的特点，利用自适应可调多光谱滤光模块模拟不同波段的偏振光感受器，获取三种不同波段的偏振光信息用于导航解算；光电转换芯片采用增强型数字光电检测芯片，在低光照的情况下仍可以保证一定的精度，而且可以满足三种滤光片下的偏振光信息采集，提高传感器对偏振信息的解算精度，进而提高导航系统环境适应性。

(2)本发明作为一个多光谱偏振导航系统，将多光谱转换结构设计在偏振检测模块中，保证在增加功能性的同时不增加传感器的体积，保证集成度，适合无人机搭载。

附图说明

图1为本发明的机械装配示意图；

图2为图1的三视图和上下二等轴测图，其中a，b，c，d分别为本发明的主视图、左视图、俯视图和上下二等轴测图；

图3为遮光罩部分透视图；

图4为旋转滤光片结构透视图；

图5为偏振检测部分的透视图；

图6为导航系统工作流程图；

图7为硬件结构示意图；

图8为本发明功能模块信息传递示意图；

图9为本发明组成框图。

具体实施方式

如图1、9所示，本发明导航系统分为三层结构，上层为遮光罩101，并集成外界环境感知模块和卫星导航模块；上层的遮光罩与中间层主体通过螺孔固定，主要作用是遮挡一部分环境光干扰；外界环境感知模块和卫星导航模块集成在一起，固定在遮光罩上方，并将检测到的外界环境信息和地理位置信息传送给底层的控制模块；中间层通过螺孔固定在底层的底座中，包含自适应可调多光谱滤光模块102和偏振检测传感器模块103；自适应可调多光谱滤光模块接收底层控制模块的控制信号旋转调整滤光波段，再由偏振检测传感器模块解算偏振信息，实现多光谱偏振信息检测，并将偏振信息发送到底层的控制模块中；底层104主要是底座，无线数传模块、惯性导航模块和控制模块都集成在底座中，控制模块通过无线数传模块发送和接收数据，结合中间层偏振检测传感器模块提供的偏振数据与惯性导航模块的导航数据解算载体导航信息。

如图2所示，为本发明的三视图和上下二等轴测图，其中a，b，c，d分别为本发明的主视图、左视图、俯视图和上下二等轴测图。

如图3、4、5所示，遮光罩结构和偏振检测传感器结构由螺丝通过螺口6、10固定，在遮光罩上的凹槽4内，通过螺孔固定外界环境感知模块和卫星导航模块，自适应可调多光谱滤光模块和驱动模块放在偏振检测传感器模块中的凹槽15内，圆形滤光片平台7上按顺序安装蓝光、绿光和紫外波段滤光片，保证同一时刻三个偏振检测通道上方的滤光片颜色相同；偏振检测传感器模块包含三组基于分光棱镜的偏振对立检测通道，用于解算偏振导航信息；控制模块、无线数传模块和惯性导航模块集成在一起，通过螺孔固定在底座中，根据外界环境感知模块和卫星导航模块提供的反馈信息驱动自适应可调多光谱滤光模块，并采集偏振信息进行导航解算。

如图3所示，遮光罩101包括三个通光孔1、2、3，内部安装双凸透镜、光阑、平凸透镜结构，将外界光线改变为垂直入射的光线照射到分光棱镜上；通过螺孔5在凹槽4中固定外界环境感知模块和卫星导航模块；卫星导航模块确定地理位置，外界环境感知模块可以检测天气、环境温湿度和外界光强，数据通过无线传输的方式将检测结果传输到控制模块，最后控制模块综合外界环境因素和地理位置信息选择合适的滤光波段。

如图4所示，自适应可调多光谱滤光模块由圆形滤光片平台7、高精度传动轴8和驱动模块9组成；在圆形滤光片平台7的孔中依次按顺序安装蓝光、绿光和紫外波段的滤光片，三种波段为一组，一共三组，保证同一时刻三个偏振检测通道上方的滤光片波段相同；驱动模块9通过高精度传动轴8与圆形滤光片平台7相连，放在偏振光检测模块中的凹槽15内，底部通过过孔与控制模块的通讯接口连接，接收控制模块输出的控制信号，完成自适应滤光波段选择。

如图5所示，偏振光检测模块由三组偏振检测结构组成，每组检偏结构包括一个分光棱镜和两个光电转换模块。以一组检偏结构为例，外界光线经过遮光罩中的透镜结构改变光路，透过通光孔11照射到偏振分光棱镜12上，进而分光棱镜将光线分为两束对立的线偏振光照射到安装在13和14处的两个光电转换模块上，光电转换模块采用16位数字紫外增强型光电检测芯片，并通过底部的通孔16与底座中的控制模块通讯接口相连，将偏振光信号转换为数字信号后输出给控制模块，进行导航解算；整个偏振光检测模块嵌入到底座圆形凹槽中，通过螺孔17与底座固定。控制模块和惯性导航模块集成在一起，通过螺孔19固定在底座方形凹槽18中；控制模块采用DSP芯片，提高系统运算速度；惯性导航模块用于检测本发明的实时姿态，与解算出来的偏振导航信息，即航向角和偏振度相辅相成，解算出传感器初始三维姿态角相辅相成，提高导航系统精度和可用性。

整个导航系统的工作流程如图6所示，在外界环境感知模块和卫星导航模块确定了外界环境和初始位置后，还要保证外界环境没有剧烈变化，进而控制模块根据这些信息选择合适的滤光片。硬件结构如图7所示，控制模块选用DSP处理芯片，提高导航系统的运算速度，保证系统的稳定性能。FLASH存储模块用来实现大容量数据存储，因为该系统需要接收和储存大量数据用于导航解算。外界环境感知模块和卫星导航模块集成在一起，数据通过无线方式传输给控制模块。偏振检测模块和高精度驱动模块直接通过底部过孔与控制模块通讯接口连接。惯性导航模块与控制模块集成在一起，固定在底座中。

如图8所示，外界感知模块和卫星导航模块的数据通过无线链路以无线数据传输的方式与控制模块完成通讯，惯性导航模块和无线数传模块集成在控制模块中，其他模块直接以有线的方式与控制模块通讯接口连接，完成信息传输。最终，控制模块中的处理芯片完成数据整理并进行导航解算，把最后解算获得的导航信息通过无线链路传输给工作站。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种具有环境适应性的多光谱偏振导航系统，其特征在于：所述多光谱偏振导航系统包括遮光罩、外界环境感知模块、卫星导航模块、自适应可调多光谱滤光模块、偏振检测传感器模块、无线数传模块、惯性导航模块和控制模块；其中遮光罩和偏振检测传感器模块由螺丝通过螺口固定，遮光罩屏蔽外界环境中的反射光影响；在遮光罩上的凹槽内，通过螺孔固定外界环境感知模块和卫星导航模块，检测环境光强和传感器的地理位置信息，发送给控制模块；自适应可调多光谱滤光模块放在偏振检测传感器模块中的凹槽内，集成度高，不会增加传感器体积；自适应可调多光谱滤光模块还包含三种波段的滤光片，接收控制模块的控制信号，实现自适应多光谱切换功能；偏振检测传感器模块包含三组基于分光棱镜的偏振对立检测通道，用于解算偏振导航信息；控制模块、无线数传模块和惯性导航模块集成在一起，通过螺孔固定在导航系统的底座中，无线数传模块用于各个模块之间的通讯，惯性导航模块用于检测本发明的实时姿态，与解算出来的偏振导航信息即航向角和偏振度相辅相成，解算出传感器初始三维姿态角，提高导航系统精度和可用性；控制模块根据外界环境感知模块和卫星导航模块提供的反馈信息对地理位置、外界环境天气情况和光强信息的监测，驱动自适应可调多光谱滤光模块，采用不同波段的滤光片获取三种不同波段的偏振光信息用于导航解算，从仿生学角度提高传感器精度。

2.根据权利要求1所述的具有环境适应性的多光谱偏振导航系统，其特征在于：所述遮光罩包括三个通光孔，通光孔中安装双凸透镜、光阑和平凸透镜结构，将外界光线改变为垂直入射的光线照射到分光棱镜上，由分光棱镜产生两束互相垂直的线偏振光用于偏振信息解算。

3.根据权利要求1所述的具有环境适应性的多光谱偏振导航系统，其特征在于：所述自适应可调多光谱滤光模块由圆形滤光片平台、高精度传动轴和驱动模块组成；在圆形滤光片平台的孔中依次按顺序安装蓝光、绿光和紫外波段的滤光片，三种波段为一组，一共三组，保证同一时刻三个偏振检测通道上方的滤光片波段相同；驱动模块通过高精度传动轴与圆形滤光片平台相连，放在偏振光检测模块中的凹槽内，驱动模块底部通过过孔与控制模块的通讯接口连接，接收控制模块输出的控制信号，完成自适应滤光波段选择。

4.根据权利要求1所述的具有环境适应性的多光谱偏振导航系统，其特征在于：所述偏振光检测模块由三组偏振检测结构组成，每组检偏结构包括一个分光棱镜和两个光电转换模块，在每组检偏结构中，外界光线经过遮光罩中的透镜结构改变光路，遮光罩通过螺孔与偏振光检测模块固定，光线透过通光孔照射到偏振分光棱镜上，进而分光棱镜将光线分为两束互相垂直的线偏振光照射到两个光电转换模块上，光电转换模块采用16位增强型数字光电检测芯片，并通过底部的通孔与底座中的控制模块通讯接口相连，将偏振光信号转换为数字信号后输出给控制模块，进行导航解算；整个偏振光检测模块嵌入到底座圆形凹槽中，通过螺孔与底座固定。

5.根据权利要求1所述的具有环境适应性的多光谱偏振导航系统，其特征在于：控制模块采用DSP芯片，用于提高系统运算速度；惯性导航模块由水平双轴加计组成，测量解算传感器静态下的水平姿态信息，即俯仰角和横滚角。