[發(fā)明專利]一種偏振光導(dǎo)航傳感器及天空偏振光導(dǎo)航方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810790212.2
• 申請(qǐng)日: 2018-07-18
• 公開（公告）號(hào): CN109059898B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張然;樊元義;褚金奎;吳晨奇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/00
• 分類號(hào): G01C21/00;G01C21/20
• 代理公司: 北京嘉途睿知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11793
• 代理人: 彭成

一種偏振光導(dǎo)航傳感器及應(yīng)用所述導(dǎo)航傳感器進(jìn)行天空偏振光導(dǎo)航的方法。所述偏振光導(dǎo)航傳感器包括：鏡頭、濾光片、偏振轉(zhuǎn)換器、偏振片和圖像傳感器；經(jīng)過鏡頭成像、濾光片濾光后的入射線偏振光通過偏振轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為矢量光束，然后經(jīng)過偏振片檢偏后在圖像傳感器的感光平面上呈現(xiàn)光強(qiáng)分布。本偏振光導(dǎo)航傳感器充分利用天空偏振光分布特點(diǎn)和偏振轉(zhuǎn)換器將偏振光束轉(zhuǎn)換為矢量光束的特點(diǎn)，對(duì)天空一次成像，根據(jù)光強(qiáng)分布計(jì)算傳感器體軸與太陽子午線之間的夾角，克服當(dāng)前成像式偏振光導(dǎo)航傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、測(cè)角精度不理想等問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性好，測(cè)角精度高等特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的應(yīng)用屬于偏振光導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種偏振光導(dǎo)航傳感器及天空偏振光導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)

偏振光導(dǎo)航作為一種新型導(dǎo)航技術(shù)，具有無累積誤差、自主性強(qiáng)、不易受外界干擾且系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，不僅具有單獨(dú)完成導(dǎo)航定位功能的潛能，還可以與其他導(dǎo)航傳感器實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航，保證導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。當(dāng)前，偏振光導(dǎo)航傳感器主要包含基于光電二極管的點(diǎn)源式偏振光傳感器和基于相機(jī)的成像式偏振光傳感器。其中，點(diǎn)源式偏振光傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是其環(huán)境適應(yīng)性差，容易受云層、太陽直射等的影響；成像式偏振光導(dǎo)航傳感器，具有適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)前成像式偏振光導(dǎo)航傳感器需要單個(gè)相機(jī)拍攝偏振片處于不同方位時(shí)天空的圖像，或者多個(gè)相機(jī)同時(shí)對(duì)天空成像，導(dǎo)致前一途徑實(shí)時(shí)性差，后一途徑傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且圖像需要配準(zhǔn)等問題。現(xiàn)有技術(shù)中公開的專利號(hào)：(CN105203102A)，提出一種基于S波片、偏振片、手持式光場(chǎng)相機(jī)的單通道成像式偏振光傳感器，解決單個(gè)相機(jī)多次拍照的實(shí)時(shí)性問題。其中，S波片放到光圈處，且用到手持光場(chǎng)相機(jī)。該手持式光場(chǎng)相機(jī)是一種在普通相機(jī)的光敏感元件前安裝有微透鏡陣列的新型成像器件，由于微透鏡陣列的存在，手持式光場(chǎng)相機(jī)在對(duì)天空拍攝時(shí)每個(gè)微透鏡都將某個(gè)特定視點(diǎn)下的天區(qū)成像為彌散光斑，將該彌散光斑按照不同區(qū)域分割利用，實(shí)現(xiàn)天空同一視點(diǎn)不同偏振方向下圖像的獲取，一次成像完成大視場(chǎng)天空偏振模式探測(cè)的目的。但是，該傳感器將每個(gè)微透鏡作為探測(cè)單元，犧牲圖像分辨率，影響測(cè)角精度。

此外，現(xiàn)有技術(shù)中，點(diǎn)源式偏振光傳感器測(cè)角大致有三種模式：?jiǎn)瓮ǖ罀呙枘Ｊ健⒍嗤ǖ罃U(kuò)展掃描模式、多通道聯(lián)立模式。第一種模式屬于單通道分時(shí)測(cè)量，主要是在載體的旋轉(zhuǎn)過程中，僅需要一個(gè)方向的偏振敏感對(duì)立單元就足以確定載體的方向。這一模式結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)便，易于光電實(shí)現(xiàn)，但是存在不足：由于局部極大值附近的響應(yīng)曲線非常平坦，從而使極大值位置的檢測(cè)不精確，且實(shí)時(shí)性較差。第二種模式，屬于多通道分時(shí)測(cè)量裝置，利用另外兩個(gè)偏振對(duì)立單元提取的信號(hào)對(duì)于局部極大值區(qū)域進(jìn)行精微調(diào)制，有效解決第一種模式偏振光強(qiáng)極大值位置的檢測(cè)不精確問題，但是未能解決實(shí)時(shí)性問題。第三種模式就是直接利用三個(gè)通道的光強(qiáng)值進(jìn)行偏振角的解算，實(shí)時(shí)性好，但是測(cè)角精度差。成像式偏振光傳感器測(cè)角與點(diǎn)源式偏振光傳感器測(cè)角的第三種模式類似：根據(jù)傳感器不同方向偏振光敏感單元，獲取不同光強(qiáng)值，求解I、k、(分別代表入射光的光強(qiáng)值、偏振度和方位角)或者求解斯托克斯矢量[I Q U V]，進(jìn)而得到測(cè)量點(diǎn)的偏振度和偏振角。但是，當(dāng)入射偏振光偏振方向相對(duì)于傳感器發(fā)生變化時(shí)，偏振光通過不同方向偏振敏感單元，偏振光強(qiáng)的變化率不同，處于偏振光強(qiáng)變化率較小處的偏振敏感單元得到的光強(qiáng)值會(huì)影響測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種偏振光導(dǎo)航傳感器及天空偏振光導(dǎo)航方法，以克服當(dāng)前成像式偏振光導(dǎo)航傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者實(shí)時(shí)性差等問題。

本發(fā)明的第一方面提供了一種偏振光導(dǎo)航傳感器，包括：鏡頭、濾光片、偏振轉(zhuǎn)換器、偏振片和圖像傳感器；

從鏡頭的正前方向觀察，依次是鏡頭、濾光片、偏振轉(zhuǎn)換器、偏振片和圖像傳感器，或者依次是濾光片、鏡頭、偏振轉(zhuǎn)換器、偏振片和圖像傳感器；所述偏振轉(zhuǎn)換器和偏振片位于圖像傳感器的感光面上；

經(jīng)過鏡頭成像、濾光片濾光后的入射線偏振光通過偏振轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為矢量光束，然后經(jīng)過偏振片檢偏后在圖像傳感器的感光平面上呈現(xiàn)光強(qiáng)分布。