基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器及工作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器及工作方法，其中，该传感器包括：至少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、滤光片和偏振片；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片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。

Polarized Light Navigation Sensor Based on Improved Sand Ant POL Neuron and Its Working Method

The invention discloses a polarized light navigation sensor based on an improved sand ant POL neuron and its working method, in which the sensor comprises at least two polarized light receiving channels, the polarized light receiving channel comprises a double convex lens, an aperture, a flat convex lens, a filter and a polarizer arranged sequentially along the direction of incident light along the same axis; and the incident light passes through the double convex lens sink. After focusing, a vertical incident light is formed through an aperture and a flat convex lens in turn. The vertical incident light is filtered by a filter to obtain monochrome polarized light. The monochrome polarized light enters the polarizer and is divided into two orthogonal lines. The two orthogonal lines are transmitted to the photoelectric conversion module to obtain polarized photoelectric signals.

【技术实现步骤摘要】
基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器及工作方法
本专利技术属于导航传感器领域，尤其涉及一种基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器及工作方法。
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。20世纪初，科学家们不断发现沙蚁、蝗虫、蜜蜂、蟋蟀等生物都具有感知偏振光进行导航的能力。有些生物，如非洲粪金龟，甚至可以在夜里利用月光进行偏振光导航。不断发现的这些生物奥秘深深吸引了众多的科学家对生物的偏振视觉进行研究，从而不断推动着人类的发展。依据仿生学原理，国内外许多学者提出了仿生偏振光导航传感器模型，其中，比较著名的是DimitriosLambrinos等人提出的仿沙蚁POL-神经元的偏振光导航传感器模型，国内外专家学者纷纷效仿，并做了大量的实验研究，结果证明，制作仿生偏振光导航传感器并利用偏振光进行导航是可行的，可以应用在辅助导航方面，具有巨大的研究前景。同时，仿沙蚁POL-神经元的偏振光导航传感器模型也不可避免的有些缺点，主要表现在：1)为了保证一定的光强，偏振光检测镜筒不能做的太小，不利于小型化；2)偏振光导航传感器模型中光电探测器接收到的不是纯净的平行光，经过偏振片的偏振光的偏振度会受到很大的影响；3)不能求出每个光电探测器的输出量，计算方法较为复杂。
技术实现思路
为了解决现有技术的缺点，本专利技术提供一种基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器及工作方法。本专利技术通过依次设置于入射光线主轴方向上的双凸透镜、光阑和平凸透镜，将入射光线发散为平行光，用于保证光电探测器接收到的光线为平行光，且光线更纯净，达到提高传感器的分辨率的目的。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器，包括：至少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、滤光片和偏振片；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片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。所述滤光片为干涉滤光片。所述偏振片为偏振分光棱镜。所述光阑为孔径光阑。光电转换模块为光电探测器。沿所述偏振片分成的两路标准正交的光线的主轴上还设有凸透镜，两路标准正交的光线均经凸透镜汇聚后传送至光电转换模块。所述凸透镜为平凸透镜。一种基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器的工作方法，包括：步骤(1)：入射光线传送至双凸透镜进行汇聚，汇聚后的光线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；步骤(2)：单色偏振光进入偏振片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。在所述步骤(2)中，偏振光电信号的表达式为：Dij＝KIi(1+pcos2(φ-φij))，其中，Dij表示第i个偏振片的第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个偏振片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个偏振片的第j路光信号的初始相位；i＝1,2；j＝1,2。预设任意两个偏振片输出的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，获得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。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术主要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，其作用和仿沙蚁POL-神经元的偏振光导航传感器模型中滤光片的作用一样，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，与仿沙蚁POL-神经元的偏振光模型相比，可以消除偏振片在安装时产生的误差；(3)本专利技术的改进的仿沙蚁POL神经元的偏振光传感器的信号处理模块中采用双对数放大器，能够采用简单的算法计算每一路的光电探测器的输出电压。附图说明图1是本专利技术的基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器的实施例一结构图；图2是本专利技术的基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器的实施例二结构图；图3是本专利技术的滤光片性能曲线图；图4是本专利技术的基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器的工作方法流程图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术做进一步说明：如图1所示，本专利技术的基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器的其中一种结构：该偏振光导航传感器包括：至少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、滤光片和偏振片；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片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。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，本专利技术还给出基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器的另一种结构，如图2所示。图2中的偏振光导航传感器包括：至少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、滤光片和偏振片；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片并分成两路标准正交的光线；在偏振片的与信号处理模块之间，偏振片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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器，其特征在于，包括：至少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、滤光片和偏振片；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片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；所述偏振片为偏振分光棱镜；光电转换模块为光电探测器；所述偏振光电信号的表达式为：Dij＝KIi(1+pcos2(φ‑φij))，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：

【技术特征摘要】
1.一种基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器，其特征在于，包括：至少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、滤光片和偏振片；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片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；所述偏振片为偏振分光棱镜；光电转换模块为光电探测器；所述偏振光电信号的表达式为：Dij＝KIi(1+pcos2(φ-φij))，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：其中，Dij表示第i个偏振片的第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个偏振片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个偏振片的第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：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：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：偏振方位角φ可表示为：2.如权利要求1所述的一种基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器，其特征在于，所述滤光片为干涉滤光片。3.如权利要求...

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