[发明专利]一种基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法

说明书

本发明公开了一种基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法，该导航方法适用于采用介质膜偏振直角分束棱镜的两通道偏振光导航系统，该方法消除了介质膜偏振直角分束棱镜分束比不为1所带来的导航参量计算误差，同时可以降低天气变化对导航精度的影响，提高使用介质膜偏振直角分束棱镜的导航系统的导航精度。

技术领域

本发明涉及偏振光导航领域，尤其涉及一种基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法。

背景技术

大气对太阳光的瑞利散射导致天空中的散射光具有部分偏振特性，有很多生物如蜜蜂、沙蚁用天空的这种偏振模式分布进行导航，这种偏振光导航方式不依赖于卫星导航信号，在一些特殊情况下，具有重要的应用价值，因此偏振光导航相关研究是目前的一个研究热点。

在众多的偏振光导航设计中，有一种采用直角分束棱镜分光的方法，其结构简图如附图1所示，这种方法采用介质膜偏振直角分束棱镜对入射的天空部分偏振光进行偏振分束，然后两个探测器分别接收两束光，探测给出强度信号，经放大电路进行放大，经模数转换电路将放大后的信号转换为数字信号，最后经计算机计算出偏振方位角和偏振度，利用此偏振信息进行导航。这种采用偏振分束棱镜的设计方法与通常的采用偏振薄膜片的方法相比，具有光线透过率高、系统结构简单的特点，可以提高光电探测器的信噪比，从而提高偏振度和偏振方位角的检测精度。但是采用介质膜偏振分束棱镜的设计也有其局限性，分束棱镜本身特性会导致较大的导航偏振度P和偏振方位角φ的系统误差，这主要是因为偏振分束棱镜分束比不为1且分束比随波长波动引起的，这一点在目前的系统设计中往往被忽视。以常规的介质膜偏振直角分束棱镜p光透过率95%和s光反射率99%为例，偏振度P为0的自然光入射，经偏振棱镜分束后，测得偏振度P为3%，约为晴空下天空最大偏振度的6%，约为多云天气下天空最大偏振度的15%，明显的降低了偏振导航精度。关于介质膜偏振分束棱镜器件本身分束比不为1的直观描述可参考附图2，附图2为一支普通的直角介质膜分束棱镜在垂直入射情况下的p、s两偏振分量的透射率谱（引自2006年浙江大学出版社出版的唐晋发等编著的《现代光学薄膜技术》第168页），可以看到工作波段区间内，p分量透射率是波动的，s分量透射率波动很小，即s分量的反射率波动小，所以p、s两光束的分束比不仅仅不为固定的值1，而且是随波长变化而波动的。

根据瑞利散射和米氏散射理论，散射光强度与波长和散射颗粒尺寸有密切关系，多云的天空和晴朗的天空相比，受散射颗粒尺度大小不同的影响，天空背景散射光强度随波长的分布会发生一定的变化，如上面所述，棱镜分束比是随波长波动的，因此采用分束棱镜的偏振光导航系统有必要选用合适的方法来消除分束棱镜分束比随波长波动带来的系统误差。

发明内容

为解决现有技术的缺点，本发明提供了一种新的基于介质膜偏振直角分束棱镜的偏振光导航方法，该方法可以消除直角介质膜偏振分束棱镜分束比不为1所导致的系统误差，提高导航精度，同时该方法还可以消除直角介质膜偏振分束棱镜分束比随波长色散导致的系统误差，减小天气变化对导航参数计算精度的影响。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

如图1所述，天空背景光经准直滤光系统入射偏振分束棱镜，分束后的p、s光分别进入光电探测器，对经过放大后采集到的双通道四路光电探测器信号D_ij（i，j=1，2，其中i为第i个通道，j为第j个光电探测器）进行混合运算处理，消除分束棱镜引入的系统误差，最后计算出导航偏振方位角和偏振度。

本发明将以上所述内容中的光路设计部分视为公共技术方案，本发明特征体现在对探测器信号进行混合运算处理，消除分束棱镜引入的系统误差的方法。

下面详细描述由探测器信号计算偏振度P和偏振方位角φ的具体方法。