高精度偏振光導航儀的製作方法

2023-10-18 06:16:59

專利名稱：高精度偏振光導航儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及輪船、飛機、車輛與機器人等交通工具和運動物體的導航，特別是一種直接利用天空中偏振光進行導航的高精度偏振光導航儀。
背景技術：
雖然太陽光本身不是偏振光，但當它穿入大氣層時，受到大氣分子或其它顆粒的散射，變成只在某一方向上振動或某一方向上振動佔優勢的偏振光。由於天空中任一點的散射光的偏振方向都垂直於太陽、觀察者和該點所組成的平面，由此根據任何一個太陽位置，人們都可以確定整個天空的偏振光圖景。反之，即使在陰天或太陽在地平線以下，由天空偏振光圖景也可推斷太陽的位置。配合時間基準和天文歷就可知道觀測者所在的位置，達到導航目的。
2001年，澳大利亞的Kane Usher，Peter Ridley與Peter Corke提出了用照相機作為偏振光羅盤的技術，見在先技術(Kane Usher，PeterRidley and Peter Corke，「A Camera as a Polarized light CompassPreliminary Experiments」，Proc.2001 Australian Conference onRobotics and Automation Sydney，14-15 November 2001，116-120)。
該在先技術中，探測器測得的天空偏振光的光強和觀測者相對太陽子午線方位角的關係可表示為f(φ)＝K(1+dcos(2φ)) (1)式中k是工程因子，d是偏振度，φ是相對於太陽子午線的方位，f(φ)是平均光強度。由公式(1)給出的關係，就可以解得方位角φ。
該在先技術的缺點
(1)、需要事先測得幾個特殊方位(0°，45°，90°)的光強值，引入了定位角度誤差，直接影響到方位角的測量精度；(2)、系統由於採用天空掃描方式，增加了掃描器件，測量速度慢，增加了系統成本和體積，降低了系統的可靠性。

發明內容
本實用新型的目的是為了克服上述在先技術的不足，提供一種高精度偏振光導航儀。該導航儀應具有結構簡單，無機械掃描器件，精度高等特點。
本實用新型的技術解決方案如下一種高精度偏振光導航儀，包括結構相同的第一偏振光鏡筒、第二偏振光鏡筒、第三偏振光鏡筒和第四偏振光鏡筒構成的偏振光接收系統；在該偏振光接收系統的輸出方向順次是光束轉折器件、偏振調製系統和光電探測器陣列，該光電探測器陣列之後再依次連接鎖相放大電路、對數放大電路、數據採集卡和計算機。
所述的偏振光接收系統的第一偏振光鏡筒由在光的前進方向同光軸地依次放置的第一寬帶濾光片、第一檢偏器和第一會聚透鏡構成；所述的第二偏振光鏡筒由第二寬帶濾光片、第二檢偏器、第二會聚透鏡構成，所述的第三偏振光鏡筒由第三寬帶濾光片、第三檢偏器、第三會聚透鏡構成，所述的第四偏振光鏡筒由第四寬帶濾光片、第四檢偏器、第四會聚透鏡組成，其中第一檢偏器與第二檢偏器的偏振方向相互正交；第三檢偏器與第四檢偏器的偏振方向相互正交，第一檢偏器和第三檢偏器光軸成60°角。
所述的寬帶濾光片是幹涉濾光片。
所述的偏振調製系統由在光束前進方向上同光軸地依次放置的第一消色差1/4波片、光彈調製器、第二消色差1/4波片與檢偏器構成，其中第一消色差1/4波片和第二消色差1/4波片的快軸方向相互正交。
所述的光電探測器陣列是由光電二級管、光電倍增管、光電池、或CCD列陣構成的。
所述的檢偏器為偏振分光稜鏡、或偏振片、或鍍有膜層的平行平板。
所述的偏振調製系統為光彈調製系統、磁光調製系統或電光調製系統。
本實用新型的工作情況如下天空中的散射光入射到第一偏振光鏡筒，第二偏振光鏡筒，第三偏振光鏡筒和第四偏振光鏡筒中。入射到第一偏振光鏡筒中的偏振光首先經過第一帶通濾光片後變為具有一定帶寬的光束，該光束經過第一檢偏器後成為線偏振光，偏振方向與第一檢偏器的光軸方向相同，該偏振光經第一會聚透鏡後成為平行光出射。散射光在第二偏振光鏡筒、第三偏振光鏡筒和第四偏振光鏡筒中傳播情況與散射光在第一偏振光鏡筒中情況相同。出射後的4束平行光束射入所述的光路轉折器件中，該光路轉折器件將4束光束的橫向距離進一步縮小到偏振調製系統的入射口徑範圍內。經轉折後的4束平行光垂直入射到偏振調製系統的第一消色差波片上，然後依次入射到光彈調製器、第二消色差1/4波片與檢偏器。其中第一第二第三第四帶通濾光片與第一消色差1/4波片、第二消色差1/4波片的光譜範圍相同。其中一個50KHz交流調製信號加到所述的光彈調製器上，隨著交流信號的變化，入射到該光彈調製器上的偏振光的偏振方向改變後入射到檢偏器上，而該檢偏器對照射在它上面的偏振光的透過率隨入射偏振方向而改變。當入射光的偏振方向與檢偏器偏振方向之間的夾角為0或π時，其透過率最大，而夾角為π/2時，其透過率最小。這樣通過改變加在光彈調製器上的電壓值即可改變光彈調製器出射光的偏振方向，進而改變在檢偏器處的透過光強度。這樣將探測到的直流信號轉變成50KHz交流信號，從而大幅度地提高了系統的信噪比和靈敏度。調製後的偏振光被光電探測器陣列接收。接受到的電信號輸入鎖相放大電路中，得到的直流信號經對數放大電路放大後由數據採集卡送入計算機進行數據處理和顯示。
所述的第一偏振光鏡筒、第二偏振光鏡筒、第三偏振光鏡筒和第四偏振光鏡筒探測到的光強分別為Si(φ)＝KI[1+dcos(2φi-2φmax)(1+sinσ)] (2)其中=2sin(2ft),i=1,2,3,4---(3)]]>上式中I是探測到的總光強，I＝Imax+Imin，Imax和Imin分別是光強的最大和最小值，d偏振度，φ是當前位置相對於太陽子午線的方位角，φmax是s取最大值時φ的值，K常數，f是調製器的調製頻率。
其中第一檢偏器和第二檢偏器的光軸方向相互垂直，第三檢偏器和第四檢偏器的光軸方向相互垂直。第一檢偏器和第三檢偏器的光軸方向，第二檢偏器和第四檢偏器的光軸方向分別成60°。(2)式忽略直流分量常數幅值後可改寫為S1，2，3，4(φ)＝KI[1+dcos(2φ1，2，3，4-2φmax)sinσ](4)將公式(4)所示的信號和調製信號共同輸入到所述的鎖相放大電路中，得到偏振光鏡筒四路信號的振幅。第一偏振光鏡筒和第二偏振光鏡筒輸出的電信號經過對數放大和處理電路後得到兩路信號的對數差值為p1,2=log(1+dcos(2)1-dcos(2))---(5)]]>第三偏振光鏡筒和第四偏振光鏡筒輸出的電信號經過對數放大和處理電路後得到兩路信號的對數差值為
p3,4=log(1+dcos(2-23)1-dcos(2-23))---(6)]]>引入中間變量p(φ)110p+1=p---(7)]]>則φ的值可寫為=12dtan(p1+2p2-323(p1-12))---(8)]]>通過對φ值的高精度測量即可實現輪船、飛機、車輛與機器人等運動物體的精確導航。
本實用新型的優點是與在先技術相比，本實用新型沒有機械轉動部件，簡化了系統結構，提高了系統的穩定性和可靠性；通過採用偏振調製技術，將探測到的直流信號轉變成50KHz交流信號，減小了1/f噪聲，從而大幅度地提高了系統的信噪比和靈敏度，提高了導航精度。


圖1為本實用新型的高精度偏振光導航儀結構示意圖。
具體實施方式
先請參閱圖1，圖1為本實用新型的高精度偏振光導航儀實施例的結構示意圖。由圖可見，本實用新型高精度偏振光導航儀的構成包括結構相同的第一偏振光鏡筒1、第二偏振光鏡筒2、第三偏振光鏡筒3和第四偏振光鏡筒4構成的偏振光接收系統；在該偏振光接收系統的輸出方向順次是光束轉折器件5、偏振調製系統6、光電探測器陣列7，該光電探測器陣列7之後再依次連接鎖相放大電路8、對數放大電路9、數據採集卡10和計算機11。
所述的偏振光接收系統的第一偏振光鏡筒1由在光的前進方向同光軸地依次放置的第一寬帶濾光片101、第一檢偏器102和第一匯聚透鏡103構成；所述的第二偏振光鏡筒2由第二寬帶濾光片201、第二檢偏器202、第二匯聚透鏡203構成，所述的第三偏振光鏡筒3由第三寬帶濾光片301、第三檢偏器302、第三匯聚透鏡303構成，所述的第四偏振光鏡筒4由第四寬帶濾光片401、第四檢偏器402、第四匯聚透鏡403組成，其中第一檢偏器102與第二檢偏器202的偏振方向相互正交；第三檢偏器302與第四檢偏器402的偏振方向相互正交，第一檢偏器102和第三檢偏器302光軸成60°。
所述的寬帶濾光片是幹涉濾光片。
所述的偏振調製系統6由在光束前進方向上同光軸地依次放置的第一消色差1/4波片601、光彈調製器602、第二消色差1/4波片603與檢偏器604構成，其中第一消色差1/4波片601與第二消色差1/4波片603的快軸方向相互正交。
所述的光電探測器陣列7由光電二級管、光電倍增管、光電池、或CCD列陣構成。
所述的檢偏器為偏振分光稜鏡、或偏振片、或鍍有膜層的平行平板。
所述的偏振調製系統為光彈調製系統、磁光調製系統或電光調製系統。
當天空中的散射光入射到第一偏振光鏡筒1，第二偏振光鏡筒2，第三偏振光鏡筒3和第四偏振光鏡筒4中。入射到第一偏振光鏡筒1中的偏振光首先經過帶通濾光片101後變為具有一定帶寬的光束，該光束經過第一檢偏器102後成為線偏振光，偏振方向與第一檢偏器102光軸方向相同，該偏振光經匯聚透鏡103後成為平行光出射。散射光在第二偏振光鏡筒2、第三偏振光鏡筒3、第四偏振光鏡筒4中傳播情況與散射光在第一偏振光鏡筒1中情況相同。出射後的4束平行光束照射入光路轉折器件5中，該光路轉折器件5將4束光束的橫向距離進一步縮小到偏振調製系統6的入射口徑範圍內。經轉折後的4束平行光垂直入射到偏振調製系統6的第一消色差波片601上，然後依次經光彈調製器602、第二消色差1/4波片603與檢偏器604。其中第一至第四帶通濾光片101、201、301、401與第一消色差波片601、第二消色差波片603光譜範圍相同。其中一個50KHz交流調製信號加到光彈調製器602上，隨著交流信號的變化，入射到光彈調製器602上偏振光的偏振方向改變後入射到檢偏器604上，而檢偏器604對照射在它上面的偏振光的透過率隨入射偏振方向而改變。當入射光的偏振方向與檢偏器的偏振方向之間的夾角為0或π時，其透過率最大，當夾角為π/2時，其透過率最小。這樣通過改變加在光彈調製器602上的電壓值即可改變光彈調製器602出射光的偏振方向，進而改變在檢偏器處604的透過光強度。這樣將探測到的直流信號轉變成50KHz交流信號，從而大幅度地提高了系統的信噪比和靈敏度。調製後的偏振光被光電探測器陣列7接收。接受到的電信號輸入鎖相放大電路8中，得到的直流信號經對數放大電路9對數放大後由數據採集卡10送入計算機11進行數據處理和顯示。
其中光束轉折器件5、偏振調製系統6、探測器陣列7、鎖相放大電路8、對數放大電路9、數據採集卡10放置在一機殼12內。
所說的鎖相放大電路8是指利用鎖相環原理實現信號提取和放大的電路，如鎖相放大器等。
所說的對數放大電路9是指能將輸入的直流或交流信號按對數函數規律進行放大的電路。
所說的消色差1/4波片是指能夠將寬波段的入射光相位改變π/2的波片。所說的光彈調製器是指利用晶體的彈光效應製成的偏振調製系統，如HINDS調製器等。
更具體地說，本實施例的寬帶濾光片的光譜範圍是350-450納米，所述的檢偏器102、202、302、402和604為格蘭-泰勒稜鏡，消色差波片為帶寬350-450納米的1/4波片，光彈調製器602為HINDS調製器，探測器陣列7為4象限探測器。
光電探測器陣列將接收到的兩路偏振光信號轉換成電信號，經鎖相放大電路和對數放大電路，送到計算機中進行信號處理，實現運動物體的導航。本實用新型具有系統結構簡單、可靠性好、導航精度高等特點。適用於船舶、飛機、車輛與機器人等交通工具和運動物體的實時導航。經實驗表明，本實用新型裝置的導航精度，當太陽在中天附近時為±2°。
權利要求1.一種高精度偏振光導航儀，其特徵在於它包括結構相同的第一偏振光鏡筒(1)、第二偏振光鏡筒(2)、第三偏振光鏡筒(3)和第四偏振光鏡筒(4)構成的偏振光接收系統；在該偏振光接收系統的輸出方向順次是光束轉折器件(5)、偏振調製系統(6)、光電探測器陣列(7)，該光電探測器陣列(7)之後再依次連接鎖相放大電路(8)、對數放大電路(9)、數據採集卡(10)和計算機(11)。
2.根據權利要求1所述的高精度偏振光導航儀，其特徵在於所述的偏振光接收系統的第一偏振光鏡筒(1)由在光的前進方向同光軸地依次放置的第一寬帶濾光片(101)、第一檢偏器(102)和第一會聚透鏡(103)構成；所述的第二偏振光鏡筒(2)由第二寬帶濾光片(201)、第二檢偏器(202)、第二會聚透鏡(203)構成，所述的第三偏振光鏡筒(3)由第三寬帶濾光片(301)、第三檢偏器(302)、第三會聚透鏡(303)構成，所述的第四偏振光鏡筒(4)由第四寬帶濾光片(401)、第四檢偏器(402)、第四會聚透鏡(403)組成，其中第一檢偏器(102)與第二檢偏器(202)的偏振方向相互正交；第三檢偏器(302)與第四檢偏器(402)的偏振方向相互正交，第一檢偏器(102)和第三檢偏器(302)光軸成60°角。
3.根據權利要求1所述的高精度偏振光導航儀，其特徵在於所述的寬帶濾光片是幹涉濾光片。
4.根據權利要求1所述的高精度偏振光導航儀，其特徵在於所述的偏振調製系統(6)由在光束前進方向上同光軸地依次放置的第一消色差1/4波片(601)、光彈調製器(602)、第二消色差1/4波片(603)與檢偏器(604)構成，其中第一消色差1/4波片(601)與第二消色差1/4波片603的快軸方向相互正交。
5.根據權利要求1所述的高精度偏振光導航儀，其特徵在於所述的光電探測器陣列(7)是由光電二級管、光電倍增管、光電池、或CCD列陣構成的。
6.根據權利要求1所述的高精度偏振光導航儀，其特徵在於所述的檢偏器為偏振分光稜鏡、或偏振片、或鍍有膜層的平行平板。
7.根據權利要求1所述的高精度偏振光導航儀，其特徵在於所述的偏振調製系統(6)為光彈調製系統、磁光調製系統或電光調製系統。
專利摘要一種通過測量天空偏振光分布實現導航的高精度偏振光導航儀，包括結構相同的第一偏振光鏡筒、第二偏振光鏡筒、第三偏振光鏡筒和第四偏振光鏡筒構成的偏振光接收系統；在該偏振光接收系統的輸出方向順次是光束轉折器件、偏振調製系統和光電探測器陣列，該光電探測器陣列之後再依次連接鎖相放大電路、對數放大電路、數據採集卡和計算機。光電探測器陣列將接收到的兩路偏振光信號轉換成電信號，經對數放大電路和鎖相放大電路送到計算機中進行信號處理，實現運動物體的導航。本實用新型具有系統結構簡單、可靠性好、導航精度高等特點。適用於船舶、飛機、車輛與機器人等交通工具和運動物體的實時導航。
文檔編號G01C21/02GK2849660SQ20052004690
公開日2006年12月20日 申請日期2005年11月25日 優先權日2005年11月25日
發明者李代林, 王向朝, 黃旭鋒 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所