專利名稱：高精度偏振光導(dǎo)航儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輪船、飛機(jī)、車(chē)輛與機(jī)器人等交通工具和運(yùn)動(dòng)物體的導(dǎo)航，特別是一種直接利用天空中偏振光進(jìn)行導(dǎo)航的高精度偏振光導(dǎo)航儀。
背景技術(shù)：
雖然太陽(yáng)光本身不是偏振光，但當(dāng)它穿入大氣層時(shí)，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(dòng)或某一方向上振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)的偏振光。由于天空中任一點(diǎn)的散射光的偏振方向都垂直于太陽(yáng)、觀察者和該點(diǎn)所組成的平面，由此根據(jù)任何一個(gè)太陽(yáng)位置，人們都可以確定整個(gè)天空的偏振光圖景。反之，即使在陰天或太陽(yáng)在地平線以下，由天空偏振光圖景也可推斷太陽(yáng)的位置。配合時(shí)間基準(zhǔn)和天文歷就可知道觀測(cè)者所在的位置，達(dá)到導(dǎo)航目的。
2001年，澳大利亞的Kane Usher，Peter Ridley與Peter Corke提出了用照相機(jī)作為偏振光羅盤(pán)的技術(shù)，見(jiàn)在先技術(shù)(Kane Usher，PeterRidley and Peter Corke，“A Camera as a Polarized light CompassPreliminary Experiments”，Proc.2001 Austral ian Conference onRobotics and Automation Sydney，14-15 November 2001，116-120)。
該在先技術(shù)中，探測(cè)器測(cè)得的天空偏振光的光強(qiáng)和觀測(cè)者相對(duì)太陽(yáng)子午線方位角的關(guān)系可表示為f(φ)＝K(1+dcos(2φ)) (1)式中k是工程因子，d是偏振度，φ是相對(duì)于太陽(yáng)子午線的方位，f(φ)是平均光強(qiáng)度。由公式(1)給出的關(guān)系，就可以解得方位角φ。
該在先技術(shù)的缺點(diǎn)(1)、需要事先測(cè)得幾個(gè)特殊方位(0°，45°，90°)的光強(qiáng)值，引入了定位角度誤差，直接影響到方位角的測(cè)量精度；(2)、系統(tǒng)由于采用天空掃描方式，增加了掃描器件，測(cè)量速度慢，增加了系統(tǒng)成本和體積，降低了系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種高精度偏振光導(dǎo)航儀。該導(dǎo)航儀應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)機(jī)械掃描器件，精度高等特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種高精度偏振光導(dǎo)航儀，包括結(jié)構(gòu)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(gòu)成的偏振光接收系統(tǒng)；在該偏振光接收系統(tǒng)的輸出方向順次是光束轉(zhuǎn)折器件、偏振調(diào)制系統(tǒng)和光電探測(cè)器陣列，該光電探測(cè)器陣列之后再依次連接鎖相放大電路、對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。
所述的偏振光接收系統(tǒng)的第一偏振光鏡筒由在光的前進(jìn)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(huì)聚透鏡構(gòu)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(huì)聚透鏡構(gòu)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(huì)聚透鏡構(gòu)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(huì)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干涉濾光片。
所述的偏振調(diào)制系統(tǒng)由在光束前進(jìn)方向上同光軸地依次放置的第一消色差1/4波片、光彈調(diào)制器、第二消色差1/4波片與檢偏器構(gòu)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(cè)器陣列是由光電二級(jí)管、光電倍增管、光電池、或CCD列陣構(gòu)成的。
所述的檢偏器為偏振分光棱鏡、或偏振片、或鍍有膜層的平行平板。
所述的偏振調(diào)制系統(tǒng)為光彈調(diào)制系統(tǒng)、磁光調(diào)制系統(tǒng)或電光調(diào)制系統(tǒng)。
本發(fā)明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(jīng)過(guò)第一帶通濾光片后變?yōu)榫哂幸欢◣挼墓馐?，該光束?jīng)過(guò)第一檢偏器后成為線偏振光，偏振方向與第一檢偏器的光軸方向相同，該偏振光經(jīng)第一會(huì)聚透鏡后成為平行光出射。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。出射后的4束平行光束射入所述的光路轉(zhuǎn)折器件中，該光路轉(zhuǎn)折器件將4束光束的橫向距離進(jìn)一步縮小到偏振調(diào)制系統(tǒng)的入射口徑范圍內(nèi)。經(jīng)轉(zhuǎn)折后的4束平行光垂直入射到偏振調(diào)制系統(tǒng)的第一消色差波片上，然后依次入射到光彈調(diào)制器、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波片的光譜范圍相同。其中一個(gè)50KHz交流調(diào)制信號(hào)加到所述的光彈調(diào)制器上，隨著交流信號(hào)的變化，入射到該光彈調(diào)制器上的偏振光的偏振方向改變后入射到檢偏器上，而該檢偏器對(duì)照射在它上面的偏振光的透過(guò)率隨入射偏振方向而改變。當(dāng)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(shí)，其透過(guò)率最大，而夾角為π/2時(shí)，其透過(guò)率最小。這樣通過(guò)改變加在光彈調(diào)制器上的電壓值即可改變光彈調(diào)制器出射光的偏振方向，進(jìn)而改變?cè)跈z偏器處的透過(guò)光強(qiáng)度。這樣將探測(cè)到的直流信號(hào)轉(zhuǎn)變成50KHz交流信號(hào)，從而大幅度地提高了系統(tǒng)的信噪比和靈敏度。調(diào)制后的偏振光被光電探測(cè)器陣列接收。接受到的電信號(hào)輸入鎖相放大電路中，得到的直流信號(hào)經(jīng)對(duì)數(shù)放大電路放大后由數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(cè)到的光強(qiáng)分別為Si(φ)＝KI[1+dcos(2φi-2φmax)(1+sinσ)] (2)其中σ=π2sin(2πft)--i=1,2,3,4---(3)]]>上式中I是探測(cè)到的總光強(qiáng)，I＝Imax+Imin，Imax和Imin分別是光強(qiáng)的最大和最小值，d是偏振度，φ是當(dāng)前位置相對(duì)于太陽(yáng)子午線的方位角，φmax是s取最大值時(shí)φ的值，K是常數(shù)，f是調(diào)制器的調(diào)制頻率。
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(shù)幅值后可改寫(xiě)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(hào)和調(diào)制信號(hào)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(hào)的振幅。第一偏振光鏡筒和第二偏振光鏡筒輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)放大和處理電路后得到兩路信號(hào)的對(duì)數(shù)差值為p1,2(φ)=log(1+dcos(2φ)1-dcos(2φ))---(5)]]>第三偏振光鏡筒和第四偏振光鏡筒輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)放大和處理電路后得到兩路信號(hào)的對(duì)數(shù)差值為p3,4(φ)=log(1+dcos(2φ-2π3)1-dcos(2φ-2π3))---(6)]]>
引入中間變量p(φ)110p(φ)+1=p‾(φ)---(7)]]>則φ的值可寫(xiě)為φ=12dtan(p‾1(φ)+2p‾2(φ)-323(p‾1(φ)-12))---(8)]]>通過(guò)對(duì)φ值的高精度測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)輪船、飛機(jī)、車(chē)輛與機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)物體的精確導(dǎo)航。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是與在先技術(shù)相比，本發(fā)明沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；通過(guò)采用偏振調(diào)制技術(shù)，將探測(cè)到的直流信號(hào)轉(zhuǎn)變成50KHz交流信號(hào)，減小了1/f噪聲，從而大幅度地提高了系統(tǒng)的信噪比和靈敏度，提高了導(dǎo)航精度。


圖1為本發(fā)明的高精度偏振光導(dǎo)航儀結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明的高精度偏振光導(dǎo)航儀實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明高精度偏振光導(dǎo)航儀的構(gòu)成包括結(jié)構(gòu)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(gòu)成的偏振光接收系統(tǒng)；在該偏振光接收系統(tǒng)的輸出方向順次是光束轉(zhuǎn)折器件5、偏振調(diào)制系統(tǒng)6、光電探測(cè)器陣列7，該光電探測(cè)器陣列7之后再依次連接鎖相放大電路8、對(duì)數(shù)放大電路9、數(shù)據(jù)采集卡10和計(jì)算機(jī)11。
所述的偏振光接收系統(tǒng)的第一偏振光鏡筒1由在光的前進(jìn)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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干涉濾光片。
所述的偏振調(diào)制系統(tǒng)6由在光束前進(jìn)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(diào)制器602、第二消色差1/4波片603與檢偏器604構(gòu)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(cè)器陣列7由光電二級(jí)管、光電倍增管、光電池、或CCD列陣構(gòu)成。
所述的檢偏器為偏振分光棱鏡、或偏振片、或鍍有膜層的平行平板。
所述的偏振調(diào)制系統(tǒng)為光彈調(diào)制系統(tǒng)、磁光調(diào)制系統(tǒng)或電光調(diào)制系統(tǒng)。
當(dāng)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(jīng)過(guò)帶通濾光片101后變?yōu)榫哂幸欢◣挼墓馐?，該光束?jīng)過(guò)第一檢偏器102后成為線偏振光，偏振方向與第一檢偏器102光軸方向相同，該偏振光經(jīng)匯聚透鏡103后成為平行光出射。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。出射后的4束平行光束照射入光路轉(zhuǎn)折器件5中，該光路轉(zhuǎn)折器件5將4束光束的橫向距離進(jìn)一步縮小到偏振調(diào)制系統(tǒng)6的入射口徑范圍內(nèi)。經(jīng)轉(zhuǎn)折后的4束平行光垂直入射到偏振調(diào)制系統(tǒng)6的第一消色差波片601上，然后依次經(jīng)光彈調(diào)制器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光譜范圍相同。其中一個(gè)50KHz交流調(diào)制信號(hào)加到光彈調(diào)制器602上，隨著交流信號(hào)的變化，入射到光彈調(diào)制器602上偏振光的偏振方向改變后入射到檢偏器604上，而檢偏器604對(duì)照射在它上面的偏振光的透過(guò)率隨入射偏振方向而改變。當(dāng)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(shí)，其透過(guò)率最大，當(dāng)夾角為π/2時(shí)，其透過(guò)率最小。這樣通過(guò)改變加在光彈調(diào)制器602上的電壓值即可改變光彈調(diào)制器602出射光的偏振方向，進(jìn)而改變?cè)跈z偏器處604的透過(guò)光強(qiáng)度。這樣將探測(cè)到的直流信號(hào)轉(zhuǎn)變成50KHz交流信號(hào)，從而大幅度地提高了系統(tǒng)的信噪比和靈敏度。調(diào)制后的偏振光被光電探測(cè)器陣列7接收。接受到的電信號(hào)輸入鎖相放大電路8中，得到的直流信號(hào)經(jīng)對(duì)數(shù)放大電路9對(duì)數(shù)放大后由數(shù)據(jù)采集卡10送入計(jì)算機(jī)11進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。
其中光束轉(zhuǎn)折器件5、偏振調(diào)制系統(tǒng)6、探測(cè)器陣列7、鎖相放大電路8、對(duì)數(shù)放大電路9、數(shù)據(jù)采集卡10放置在一機(jī)殼12內(nèi)。
所說(shuō)的鎖相放大電路8是指利用鎖相環(huán)原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)提取和放大的電路，如鎖相放大器等。
所說(shuō)的對(duì)數(shù)放大電路9是指能將輸入的直流或交流信號(hào)按對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律進(jìn)行放大的電路。
所說(shuō)的消色差1/4波片是指能夠?qū)挷ǘ蔚娜肷涔庀辔桓淖儲(chǔ)?2的波片。所說(shuō)的光彈調(diào)制器是指利用晶體的彈光效應(yīng)制成的偏振調(diào)制系統(tǒng)，如HINDS調(diào)制器等。
更具體地說(shuō)，本實(shí)施例的寬帶濾光片的光譜范圍是350-450納米，所述的檢偏器102、202、302、402和604為格蘭—泰勒棱鏡，消色差波片為帶寬350-450納米的1/4波片，光彈調(diào)制器602為HINDS調(diào)制器，探測(cè)器陣列7為4象限探測(cè)器。
光電探測(cè)器陣列將接收到的兩路偏振光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)鎖相放大電路和對(duì)數(shù)放大電路，送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的導(dǎo)航。本發(fā)明具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、導(dǎo)航精度高等特點(diǎn)。適用于船舶、飛機(jī)、車(chē)輛與機(jī)器人等交通工具和運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明裝置的導(dǎo)航精度，當(dāng)太陽(yáng)在中天附近時(shí)為±2°。
權(quán)利要求
1.一種高精度偏振光導(dǎo)航儀，其特征在于它包括結(jié)構(gòu)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(gòu)成的偏振光接收系統(tǒng)；在該偏振光接收系統(tǒng)的輸出方向順次是光束轉(zhuǎn)折器件(5)、偏振調(diào)制系統(tǒng)(6)、光電探測(cè)器陣列(7)，該光電探測(cè)器陣列(7)之后再依次連接鎖相放大電路(8)、對(duì)數(shù)放大電路(9)、數(shù)據(jù)采集卡(10)和計(jì)算機(jī)(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度偏振光導(dǎo)航儀，其特征在于所述的偏振光接收系統(tǒng)的第一偏振光鏡筒(1)由在光的前進(jìn)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(huì)聚透鏡(103)構(gòu)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(huì)聚透鏡(203)構(gòu)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(huì)聚透鏡(303)構(gòu)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(huì)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(jù)權(quán)利要求1所述的高精度偏振光導(dǎo)航儀，其特征在于所述的寬帶濾光片是干涉濾光片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度偏振光導(dǎo)航儀，其特征在于所述的偏振調(diào)制系統(tǒng)(6)由在光束前進(jìn)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(diào)制器(602)、第二消色差1/4波片(603)與檢偏器(604)構(gòu)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(jù)權(quán)利要求1所述的高精度偏振光導(dǎo)航儀，其特征在于所述的光電探測(cè)器陣列(7)是由光電二級(jí)管、光電倍增管、光電池、或CCD列陣構(gòu)成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度偏振光導(dǎo)航儀，其特征在于所述的檢偏器為偏振分光棱鏡、或偏振片、或鍍有膜層的平行平板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度偏振光導(dǎo)航儀，其特征在于所述的偏振調(diào)制系統(tǒng)(6)為光彈調(diào)制系統(tǒng)、磁光調(diào)制系統(tǒng)或電光調(diào)制系統(tǒng)。
全文摘要
一種通過(guò)測(cè)量天空偏振光分布實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的高精度偏振光導(dǎo)航儀，包括結(jié)構(gòu)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(gòu)成的偏振光接收系統(tǒng)；在該偏振光接收系統(tǒng)的輸出方向順次是光束轉(zhuǎn)折器件、偏振調(diào)制系統(tǒng)和光電探測(cè)器陣列，該光電探測(cè)器陣列之后再依次連接鎖相放大電路、對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。光電探測(cè)器陣列將接收到的兩路偏振光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)對(duì)數(shù)放大電路和鎖相放大電路送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的導(dǎo)航。本發(fā)明具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、導(dǎo)航精度高等特點(diǎn)。適用于船舶、飛機(jī)、車(chē)輛與機(jī)器人等交通工具和運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。
文檔編號(hào)G01C21/02GK1789916SQ20051011076
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月25日
發(fā)明者李代林, 王向朝, 黃旭鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所