CN108981919A - 一种天空偏振光垂直分布探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天空偏振光垂直分布探测装置及方法，包括球伞分离展开部件、姿态稳定装置、偏振探测器、主控系统、通信设备、供电设备、温控设备、支撑结构。其中，球伞分离展开部件和偏振探测器安装在支撑结构顶部的支撑面上，姿态稳定装置安装在支撑结构三个相互垂直的支撑面，主控系统、通信设备、供电设备和温控设备安装在支撑结构内部；探空气球携带探测装置升空，升空过程中由偏振探测器和主控系统实时探测并记录探测数据，姿态稳定装置保持探测装置姿态稳定、偏振探测器朝向稳定，从而获得可供分析的垂直方向天空偏振光信息。本发明用来探测从地面至30km高空的天空偏振光垂直分布情况，具有探测范围大、自主姿态稳定、探测设备可回收等优点，可作为科研实验中一种天空偏振光试验技术平台。

Description

一种天空偏振光垂直分布探测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种偏振光探测装置及方法，尤其涉及一种天空偏振光垂直分布探测装置及方法，可作为科研实验中一种天空偏振光试验技术平台。

背景技术

大气偏振模式是一种常见的自然偏振光现象。当无偏的自然光与大气中的粒子、尘埃发生散射、辐射、和吸收作用后会形成一定的偏振特性从而产生偏振光。天空中存在许多不同偏振度和偏振化方向的偏振光，会形成一种相对稳定的偏振态分布，形成大气偏振模式，大气偏振模式是地球重要的自然属性之一。大气偏振模式是仿生偏振光导航与定位的理论基础，也是遥感探测、大气光学分析的重要对象，因此，天空偏振光探测在大气偏振模式及其相关领域的研究工作中具有重要的指导意义。天空偏振光探测需求的迫切性，也对探测装置提出了更高更具体的要求。目前天空偏振光探测主要采用地面装置、无/有人机携带载荷进行探测等方式，可有效探测地面附近低空区域的天空偏振光分布情况。“天空光偏振模式自动探测装置”(赵开春，卢皓，尤政.天空光偏振模式自动探测装置[J].光学精密工程,2013,21(2):239-245)一文中通过精密转台转动带动偏振片转动，自动获得不同偏振角度下的天空偏振模式照片。已申请的专利“大气偏振模式检测装置及其检测方法”，申请公布号CN1971246，将光偏振信息采集器安装在控制平台上，通过控制平台旋转实现天空区域的扫描。上述两种装置可在固定地点、固定高度进行天空偏振光探测，但是由于适用高度和装置稳定性等条件的限制，难以进行天空偏振光垂直分布探测。综上所述，为了满足仿生偏振光导航与定位、遥感探测、大气光学分析等实际应用对天空偏振光探测的需求，设计研究一种可在天空垂直方向进行大范围探测的天空偏振光垂直分布探测装置十分必要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有偏振光探测装置在天空垂直方向探测范围小的缺陷，提供一种天空偏振光垂直分布探测装置及方法，并同时解决探测装置在高空难以自稳定的问题。

按照本发明提供的一种天空偏振光垂直分布探测装置及方法采用的主要技术方案为：包括球伞分离展开部件、姿态稳定装置、偏振探测器、主控系统、通信设备、供电设备、温控设备和支撑结构；球伞分离展开部件和偏振探测器分别安装在支撑结构顶部的支撑面上，姿态稳定装置安装在支撑结构三个相互垂直的支撑面上，主控系统、通信设备、供电设备和温控设备安装在支撑结构内部；球伞分离展开部件控制探空气球分离和降落伞展开，姿态稳定装置使整个探测装置在上升过程中保持姿态稳定，并使偏振探测器镜头朝向稳定，偏振探测器在探测装置上升过程中记录天空偏振光垂直分布图像信息，主控系统负责测量并处理位置、高度、姿态及所处环境的温湿度数据，并控制球伞分离展开部件、姿态稳定装置、偏振探测器、通信设备、供电设备和温控设备稳定运行，通信设备负责与地面站进行双向通信，供电设备向球伞分离展开部件、姿态稳定装置、偏振探测器、主控系统、通信设备、温控设备供电，温控设备保持探测装置内部恒温，保证整个探测装置正常工作，支撑结构给球伞分离展开部件、姿态稳定装置、偏振探测器、主控系统、通信设备、供电设备、温控设备提供安装位置并保证结构强度。

所述球伞分离展开部件包括舵机、插件和卡槽；舵机与插件相连，插件在初始状态下完全固定在三个卡槽内，探空气球、降落伞分别连接在插件被卡槽分隔的两个分段部分；舵机带动插件从卡槽中完成二级脱出动作，从而依次实现探空气球分离和降落伞展开。

所述姿态稳定装置由飞轮、伺服电机和伺服驱动器组成；飞轮安装在伺服电机转轴上，伺服电机与伺服驱动器连接，三组飞轮及电机轴向分别正交，构成三轴姿态稳定结构；姿态稳定装置通过调节三个轴向垂直飞轮的转速以保持探测装置姿态稳定。

所述偏振探测器利用相机镜头上不同角度的偏振片记录不同高度天空偏振光图像信息，用光强传感器记录光强信息。

所述主控系统包括微处理器、GPS定位芯片、气压高度表、惯性传感器、温湿度传感器和存储设备；微处理器与GPS定位芯片、气压高度表、惯性传感器、温湿度传感器和存储设备相连；GPS定位芯片、气压高度表、惯性传感器、温湿度传感器实时测量探测装置在上升和下降过程中的位置、高度、姿态及所处环境的温湿度信息，传输给微处理器处理，经处理后传送给存储设备进行存储。

一种天空偏振光垂直分布探测装置的探测方法，步骤如下：

(1)探空气球携带探测装置从地面升空，升空后首先进入姿态稳定调节阶段，惯性传感器实时测量升空过程中探测装置姿态，并传给主控系统处理，主控系统解算后向姿态稳定装置发送控制信号，姿态稳定装置通过调节三个轴向垂直飞轮的转速以保持探测装置姿态稳定；

(2)探测装置姿态稳定后，进入天空偏振光图像信息采集阶段，每上升100米偏振探测器记录一次天空偏振光图像信息，其他传感器测量并记录姿态、位置、高度及所处环境的温湿度数据，在此过程中，由于高空乱流的影响，探测装置姿态会出现变化，探测装置持续进行步骤(1)中的姿态稳定调节，从而使偏振探测器镜头在记录天空偏振光图像信息时朝向稳定，获得可供分析的天空偏振光信息；

(3)探测装置达到30km高度后,进入探测装置回收阶段，探空气球和探测装置其余部分的自动分离，下落到500m高度时自动展开降落伞，实现探测装置的安全着陆和有效回收。

本发明的功能原理是：探空气球携带探测装置从地面升空，升空过程中由偏振探测器和其他各传感器实时测量并存储不同高度天空偏振光图像信息和探测装置姿态、位置、高度及所处环境的温湿度等信息，在此过程中，由于高空乱流的影响，探测装置姿态会出现变化，主控系统获取探测装置实时姿态变化数据，经解算后向姿态稳定装置发送控制信号，姿态稳定装置通过调节三个轴向垂直飞轮的转速以保持探测装置姿态稳定，从而使偏振探测器镜头在记录高空偏振场图像信息时朝向稳定，获得可供分析的天空偏振光信息。探测装置达到设定最高高度后,探空气球和探测装置其余部分的自动分离，下落到设定高度后自动展开降落伞，实现探测装置的安全着陆和有效回收。整个过程中,通信设备负责与地面站进行双向通信，从而实现实时获取装置信息，实时控制装置状态。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现有的地面装置探测和无/有人机携带载荷进行天空偏振光探测有适用高度条件的限制，相比于现有技术，本发明提供一种天空偏振光垂直分布探测装置及方法，采用探空气球携带一体化集成探测装置的方式，在天空垂直方向探测范围大，可用来探测从地面至30km高空的天空偏振光垂直分布情况。

(2)现有的气象气球、气艇携带气象装置探测时探测装置姿态稳定性较差，相比于现有技术，本发明采用了姿态稳定装置，具有三轴姿态稳定结构，可通过通过调节三个轴向垂直飞轮的转速以保持探测装置姿态稳定，在高空探测过程中姿态可控性强，可解决探空气球携带装置难以自稳定的问题，满足天空偏振光垂直分布探测稳定性需求；同时，可完成偏振探测装置的回收再利用。

附图说明

图1为本发明解决方案的结构组成框图；

图2为本发明解决方案中球伞展开分离装置的结构示意图；

图3为本发明解决方案的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明进行详细说明。

如图1所示，为本发明一种天空偏振光垂直分布探测装置，包括球伞分离展开部件1、姿态稳定装置12、偏振探测器16、主控系统5、通信设备17、供电设备19、温控设备18、支撑结构20。其中，球伞分离展开部件1和偏振探测器16安装在支撑结构20顶部的支撑面上，姿态稳定装置12安装在支撑结构20三个相互垂直的支撑面上，主控系统5、通信设备17、供电设备19、温控设备18安装在支撑结构20内部。球伞分离展开部件1控制探空气球21分离和降落伞22展开，升空过程中由偏振探测器16和主控系统5实时记录探测数据，将数据通过通信设备17实时传送给地面站，在这一过程中姿态稳定装置12不断调节探测装置姿态，使偏振探测器16朝向稳定，从而获得可供分析的高空偏振场信息。

如图2所示，为本发明解决方案中球伞展开分离装置的结构示意图，球伞分离展开部件1由舵机2、插件3和卡槽4组成；舵机2与插件3相连，插件3在初始状态下完全固定在三个卡槽4内，探空气球21的降落伞22分别连接在插件3被卡槽4分隔的两个分段部分；舵机2可带动插件3从卡槽4中完成二级脱出动作，从而依次实现探空气球21分离和降落伞22展开，探空气球21可携带探测装置平稳上升，球伞分离展开部件1可在探测装置达到设定最高高度后，实现探空气球21和探测装置的自动分离，并在下落到设定高度后自动展开降落伞22，实现探测装置的安全着陆和有效回收。

姿态稳定装置12由飞轮13、伺服电机14和伺服驱动器15组成，飞轮13安装在伺服电机14转轴上，三组飞轮13及电机轴向分别垂直，构成三轴姿态稳定结构，伺服驱动器15与主控系统5和伺服电机14相连，接收控制信号并相应调节伺服电机14转速从而控制飞轮13转速来调节探测装置姿态，使探测装置在上升测量过程中保持姿态稳定，并使偏振探测器16镜头在记录高空偏振场图像信息时朝向稳定。

偏振探测器16利用相机镜头上不同角度的偏振片记录不同高度天空偏振光图像信息，用光强传感器记录光强信息，并将其传输到存储设备11中保存。

主控系统5由微处理器6、GPS定位芯片7、惯性传感器8、气压高度表9、温湿度传感器10和存储设备11组成，主控系统5与球伞分离展开部件1、姿态稳定装置12、偏振探测器16、通信设备17、供电设备19相连，负责接收偏振探测器16所获得的天空偏振光图像以及通信设备17所获得的地面站指令等实时数据，经主控系统5处理后，将控制信号传给球伞分离展开部件1和姿态稳定装置12，控制探测装置的升空、降落和实时姿态，并将所获得的实时姿态、位置、高度信息通过通信设备17传送给地面站进行分析决策。

所述GPS定位芯片7、气压高度表9、惯性传感器8、温湿度传感器10，均与微处理器6相连，上述传感器实时测量探测装置在上升和下降过程中的姿态、位置、高度及所处环境的温湿度等信息，传输给微处理器6处理，信息经处理后传送给存储设备11进行存储，并可结合偏振探测器16所获得的天空偏振光图像，分析天空偏振光垂直分布机理。

所述通信设备17负责探测装置和地面站之间的双向通信，从而实现实时获取探测装置信息，实时控制探测装置状态。

所述供电设备19由电源和电源管理电路组成，分为高低压两套供电设备，高压供电设备向姿态稳定装置12、温控设备18供电，低压供电设备向主控系统5供电，两套供电设备相互独立，有效减少两网络间的电磁干扰，满足主控系统5高精度供电要求。

所述温控设备18由电子温控器、发热线、保温材料组成，可在高空低温环境下保持装置内部恒温，保证各种传感器和电子设备正常工作。

所述支撑结构20采用铝镁合金材料，保证探测装置整体在上升和高速下降过程中的结构强度同时实现装置轻量化。

如图3所示，为本发明的工作流程图，探空气球21携带探测装置从地面升空，升空过程中由偏振探测器16和其他各传感器实时测量并存储不同高度天空偏振光图像信息和探测装置姿态、位置、高度及所处环境的温湿度等信息，在此过程中，由于高空乱流的影响，探测装置姿态会出现变化，主控系统5微处理器6获取探测装置实时姿态变化数据，经解算后向姿态稳定装置12发送控制信号，伺服驱动器15接收控制信号并保持或调节伺服电机14转速从而控制三个轴向垂直飞轮13转速，使探测装置在上升测量过程中保持姿态稳定，从而使偏振探测器16镜头在记录高空偏振场图像信息时朝向稳定，获得可供分析的天空偏振光信息。探测装置达到设定最高高度后,探空气球21和探测装置自动分离，下落到设定高度后自动展开降落伞22，实现探测装置的安全着陆和有效回收。整个过程中,通信设备17负责与地面站进行双向通信，从而实现实时获取装置信息，实时控制装置状态。

总之，本发明用来探测从地面至30km高空的天空偏振光垂直分布情况，具有探测范围大、自主姿态稳定、探测设备可回收等优点，可作为科研实验中一种天空偏振光试验技术平台。

Claims (6)

1.一种天空偏振光垂直分布探测装置，其特征在于：包括球伞分离展开部件、姿态稳定装置、偏振探测器、主控系统、通信设备、供电设备、温控设备和支撑结构；球伞分离展开部件和偏振探测器分别安装在支撑结构顶部的支撑面上，姿态稳定装置安装在支撑结构三个相互垂直的支撑面上，主控系统、通信设备、供电设备和温控设备安装在支撑结构内部；球伞分离展开部件控制探空气球分离和降落伞展开，姿态稳定装置使整个探测装置在上升过程中保持姿态稳定，并使偏振探测器镜头朝向稳定，偏振探测器在整个探测装置上升过程中记录天空偏振光垂直分布图像信息，主控系统负责测量并处理位置、高度、姿态及所处环境的温湿度数据，并控制球伞分离展开部件、姿态稳定装置、偏振探测器、通信设备、供电设备和温控设备稳定运行，通信设备负责与地面站进行双向通信，供电设备向球伞分离展开部件、姿态稳定装置、偏振探测器、主控系统、通信设备、温控设备供电，温控设备保持探测装置内部恒温，保证探测装置正常工作，支撑结构给球伞分离展开部件、姿态稳定装置、偏振探测器、主控系统、通信设备、供电设备、温控设备提供安装位置并保证结构强度。

2.根据权利要求1所述的天空偏振光垂直分布探测装置，其特征在于：所述球伞分离展开部件包括舵机、插件和卡槽；舵机与插件相连，插件在初始状态下完全固定在三个卡槽内，探空气球、降落伞分别连接在插件被卡槽分隔的两个分段部分；舵机带动插件从卡槽中完成二级脱出动作，从而依次实现探空气球分离和降落伞展开。

3.根据权利要求1所述的天空偏振光垂直分布探测装置，其特征在于：所述姿态稳定装置由飞轮、伺服电机和伺服驱动器组成；飞轮安装在伺服电机转轴上，伺服电机与伺服驱动器连接，三组飞轮及电机轴向分别正交，构成三轴姿态稳定结构；姿态稳定装置通过调节三个轴向垂直飞轮的转速以保持探测装置姿态稳定。

4.根据权利要求1所述的天空偏振光垂直分布探测装置，其特征在于：所述偏振探测器利用相机镜头上不同角度的偏振片记录不同高度天空偏振光图像信息，用光强传感器记录光强信息。

5.根据权利要求1所述的天空偏振光垂直分布探测装置，其特征在于：所述主控系统包括微处理器、GPS定位芯片、气压高度表、惯性传感器、温湿度传感器和存储设备；微处理器与GPS定位芯片、气压高度表、惯性传感器、温湿度传感器和存储设备相连；GPS定位芯片、气压高度表、惯性传感器、温湿度传感器实时测量探测装置在上升和下降过程中的位置、高度、姿态及所处环境的温湿度信息，传输给微处理器处理，经处理后传送给存储设备进行存储。

6.一种利用权利要求1-5所述的天空偏振光垂直分布探测装置的探测方法，其特征在于步骤如下：

(1)探空气球携带探测装置从地面升空，升空后首先进入姿态稳定调节阶段，惯性传感器实时测量升空过程中探测装置姿态，并传给主控系统处理，主控系统解算后向姿态稳定装置发送控制信号，姿态稳定装置通过调节三个轴向垂直飞轮的转速以保持探测装置姿态稳定；

(2)探测装置姿态稳定后，进入天空偏振光图像信息采集阶段，每上升100米偏振探测器记录一次天空偏振光图像信息，其他传感器测量并记录姿态、位置、高度及所处环境的温湿度数据，在此过程中，由于高空乱流的影响，探测装置姿态会出现变化，探测装置持续进行步骤(1)中的姿态稳定调节，从而使偏振探测器镜头在记录天空偏振光图像信息时朝向稳定，获得可供分析的天空偏振光信息；

(3)探测装置达到30km高度后,进入探测装置回收阶段，探空气球和探测装置其余部分的自动分离，下落到500m高度时自动展开降落伞，实现探测装置的安全着陆和有效回收。