[發明專利]基于偏振分光棱鏡的兩通道仿生偏振光導航儀及其方法

有效

• 申請號: 201610076299.8
• 申請日: 2016-02-03
• 公開（公告）號: CN105737818B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 曹佃國;武玉強;王茂友;郭雷;馬任德
• 申請（專利權）人: 曲阜師范大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G02B27/28
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙妍

本發明公開了一種基于偏振分光棱鏡的兩通道仿生偏振光導航儀及其方法，其中，該導航儀包括偏振光導航傳感器模塊，其包括兩個偏振光接收通道，所述偏振光接收通道包括沿入射光線方向同光軸上依次設置的雙凸透鏡、光闌、平凸透鏡、濾光片和偏振分光棱鏡；入射光線經所述雙凸透鏡匯聚后，依次經過光闌和平凸透鏡形成垂直入射的光線，垂直入射的光線經濾光片濾光后獲得單色偏振光，單色偏振光進入偏振分光棱鏡并分成兩路標準正交的光線，兩路標準正交的光線均傳送至光電轉換模塊來獲取偏振光電信號；偏振光導航傳感器模塊將獲取的偏振光電信號傳送至信號處理模塊，經信號處理模塊處理后獲取偏振導航信息，并傳送至通信與顯示模塊進行顯示。

技術領域

本發明屬于偏振光導航儀領域，尤其涉及一種基于偏振分光棱鏡的兩通道仿生偏振光導航儀及其方法。

背景技術

導航主要包括衛星導航系統(GNSS)、慣性導航系統(INS)、天文導航系統(CNS)、數據庫或景象參考導航系統以及無線電導航系統等。慣性導航系統(Inenial Navigation)，應用牛頓力學定律，是一個積分求解的定位系統。它主要由加速度計、導航計算機、陀螺儀以及慣導平臺、導航與補償算法等組成。由安裝于載體內部的加速度計和陀螺儀(通常是由三個加速度計和三個陀螺儀組成慣性測量單元)測量載體慣性空間的比力和角速度，對載體的速度、三維位置與姿態信息計算。用加速度計來測量載體運動的加速度；模擬陀螺儀與平臺構造一個單行坐標系，提供測量坐標基準，并得到載體姿態和方位信息；通過導航算法，完成參數和指令值的運算；對所需參數進行分析，顯示出導航數據。該系統不向外輻射能量，且不依賴外部的信息和硬件；隱蔽性好，抗干擾性強；導航數據具有連續、完整的特點，廣泛應用于航空、航天、航海等領域。慣性導航是一種航位推算導航系統，由于陀螺儀漂移和加速度計誤差，此系統的誤差將隨時間增長。

太陽光在傳輸過程中由于大氣的散射作用而產生偏振光，并形成特定的偏振態分布，即大氣偏振模式。大氣偏振分布模式相對穩定，其中蘊含了豐富導航信息。自然界中許多生物如沙蟻、蜜蜂、蟋蟀，都有利用偏振光進行導航的能力。大氣偏振模式是地球的自然屬性之一，其在較大范圍內很難受人為因素的干擾和破壞，特別是在弱/無衛星導航信號的“特殊環境下”仍然能提供導航信息。因此，仿生偏振光導航儀的研究具有重要的應用前景。

目前偏振光導航儀的結構存在的問題：例如偏振片的透振方向確定問題、濾波片的透過率不同的問題、采用圓筒時導致所探測光的偏振度降低問題等。

大氣偏振信息獲取是實現偏振導航的必要前提，近年來，人們通過模仿沙蟻復眼中的偏振對立結構，研制出了多種偏振傳感器，提出了不同的大氣偏振信息(偏振度、偏振方位角等)求解方法。但這些偏振傳感器和大氣偏振信息求解方法存在著很多缺陷。

(1)現有偏振傳感器的偏振光鏡筒都是采用依次放置：干涉濾光片、偏振片和光電探測器的結構形式。這種結構形式的缺陷是：一方面干涉濾光片放置在最上端，由于自然光是非平行光，所以入射到濾光片上的光線大部分不是垂直入射，濾光效果不理想；另一方面經過濾光片后的出射光也不是平行光，在筒壁上會有反射，如此各種光線以各種入射角照射到偏振片上，導致經過偏振片后的出射光不是真正的線偏振光，變成了橢圓偏振光。以上結構形式極易受周圍環境影響，嚴重影響了偏振信息的測量精度及其抗干擾能力，以至于這種傳感器實驗需要晴天在無遮擋的樓頂才能測試，測試結果還不理想。

(2)現有偏振傳感器幾個偏振片被分別放置在不同的偏振光鏡筒中，這種結構形式的缺陷是，難以僅靠機械調節準確滿足它們的起始偏振化方向固定角度差的需要，存在定位角度誤差和正交誤差，直接影響到偏振方位角的測量精度。

(3)現有偏振傳感器的偏振光鏡筒都沒有采取光束準直和光強倍增措施，這種結構形式的缺陷是，光束難以垂直照射濾光片和偏振片，光電探測器測到的光強絕大部分都是雜光(斜光)光強，換句話說噪聲遠遠大于有用信號，嚴重影響偏振信息測量結果。如果濾除斜光，垂直照射光束的光強太弱，光電探測器幾乎探測不到，無法得到所需偏振信息。