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

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决现有技术的缺点，本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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：Dij＝KIi(1+pcos2(φ-φij))，其中，Dij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；Ii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；φij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。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术对光线处理通道进行了改本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹佃国，武玉强，王茂友，郭雷，马任德，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37