[发明专利]分振幅偏振导航角度传感设计方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于导航与测控技术领域，其将偏振光探测技术与导航技术相结合，涉及一种利用天空散射光偏振信息进行导航的导航角度传感设计方法及装置。可广泛应用于车辆、舰船、低空飞行器、自主机器人等设备的导航目的，也可用于极地考察、野外探险、地质考察等领域。

背景技术

偏振导航是一种利用天空散射光偏振分布模式进行自主导航的新型导航方法。偏振导航最初是一种仿生传感与导航方法，源于对沙蚁、蜜蜂、蟋蟀等昆虫的偏振视觉系统的研究，通过被动式测量与分析大气散射光偏振信息，解算出载体参考轴相对太阳子午线的方位角，再根据天文历法及空间角度关系确定航向角，实现自主导航。偏振导航具有自主性强、精度好、误差不随时间累积、体积小、抗电磁干扰性强等特点，可作为现有导航技术的重要补充，在组合导航体系中发挥重要作用，可广泛应用于车辆、舰船、低空飞行器、自主机器人等设备的导航目的，也可用于极地考察、野外探险、地质考察等领域。

当前国内外文献已提出的用于偏振导航的角度传感装置主要有两种。一种如图1、图2所示，为模仿生物偏振视觉系统设计的一种传感装置，其中图1为平面示意图，图2为立体示意图。图1中，偏振片1是由六小块偏振片拼接而成的，六小块偏振片的主方向2（即透光方向）各不相同，分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°，其中0°、90°的两小块偏振片的主方向相互垂直，30°、120°的两小块偏振片的主方向相互垂直，60°、150°的两小块偏振片的主方向相互垂直。在每一小块偏振片的下方都安装有光敏探测器3，共六个，用于接收透过偏振片的线偏振光。由六小块拼接而成的偏振片1安装在镜筒4内。图2中，入射光波5透过偏振片1后，投射在下方的光敏探测器3上，光敏探测器3将光信号转化为电信号，供给后续信号采集设备（图中未画出）和计算设备（图中未画出）处理。这种角度传感装置采用镜筒4或附加套筒机构（图中未画出）来实现集光和定向测量。另一种角度传感器是一种偏振敏感型CMOS图像传感器，采用现代超精密集成电路加工工艺，将金属线栅偏振片集成到CMOS相机的各个像元上。这种偏振敏感型CMOS图像传感器的像元组织形式如图3所示，每个最基本的功能单元由2×2个像元组成，图3(a)、图3(b)分别给出了两种典型的基本功能单元形式。图3(a)中，像元6上没有标示箭头，表示该像元为普通像元，其上没有集成线栅，像元7上标有90°方向的箭头，表示该像元上集成了主方向为90°的线栅，像元8上则集成了主方向为0°的线栅。图3(b)中，像元6为无线栅普通像元，像元7、8、9上分别集成了主方向为90°、0°、45°的线栅。由于集成的线栅起到线偏振器的作用，这种由2×2个像元组成的基本功能单元具备线偏振方位角测量功能，能够感知天空散射光的线偏振方位角。

从测量模式上来看，上述两种偏振导航角度传感器均为分波面探测原理。这类分波面探测方法，理论上正确可行，方法也较为简单，但在实施技术上却存在诸多的问题。

对于前一种已有设计模型，技术上存在测量精度不高、光能利用率低、抗杂光与定向监测能力差等弱点。首先，测量精度、灵敏度不高。这是因为要求将六块独立偏振片按透光方向0°、30°、60°、90°、120°、150°六个角度严格排列安装，由于偏振片加工、装配及检测的精度有限，此种排列的角度精度很难达到较高水平，且会给仪器装调带来很高的要求。另外，一般采用二向色性渗碘聚乙烯乙醇偏振片（H偏振片），或光学镀膜偏振片，这类偏振片的偏光性能低，消光比通常仅能达到10^-3数量级，在短波长（蓝紫光）的情况下消光性能会更差（10^-2）。偏振片是偏光角度传感装置方向检测的核心元件，这两个因素必然造成这种偏振角度传感装置的精度和灵敏度不高的问题。其次，光能利用率低。这是因为透过六小块偏振片的光束并没被充分利用，仅有少量光能被六个光敏探测器接收（光敏面较小），利用率很低，大部分光转变为背景杂光，将严重干扰探测过程，降低信噪比，光能利用率低还限制了传感装置在弱光照环境下的应用。最后，抗杂光与定向检测能力差。由于采用简易套筒结构，抗杂光与定向测量能力较差。例如图4所示，光敏元件10的探测范围由套筒11确定，实际上为光线12和13之间锥形区域，对应于天空中的一片较大区域，由于天空中各个点的偏振态并不相同，套筒机构实施的大视角测量匀化了各点的偏振态，得到的是该空间区域的综合测量结果，这样虽在某种程度上有助于提高抗干扰性，但却导致了测量灵敏度和精度大大下降。此外，套筒机构还会产生杂散光（例如直射在套筒11内壁的光线14将会产生漫反射杂光，这种杂光带有较强的偏振性），严重干扰测量过程，导致测量精度下降。