偏振導航傳感器設計與標定

江云秋 宋一鉑

1. 宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京100854 2. 北京航天自動控制研究所，北京100854

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偏振導航傳感器設計與標定

江云秋1,2宋一鉑1,2

1. 宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京100854 2. 北京航天自動控制研究所，北京100854

借鑒了生物偏振導航的研究成果，構建了偏振導航傳感器的模型，分析了該模型測量原理，設計了偏振導航傳感器，研制了偏振光軸標定系統(tǒng)，提高了傳感器的測量精度，建立了傳感器性能測試系統(tǒng)，傳感器的測量誤差優(yōu)于0.18°，研究成果對偏振導航傳感器的應用具有指導意義。

仿生；偏振；導航；傳感器

偏振光導航技術源于沙蟻等昆蟲的偏振視覺導航原理[1]。太陽光經過大氣發(fā)生散射現(xiàn)象[2]，散射輻射具有偏振特性，偏振光攜帶方向信息，沙蟻等昆蟲正是利用天空偏振光提供的方向信息進行導航的[3]。

偏振導航傳感器具有體積小、重量輕及成本低等優(yōu)勢，作為新型的慣性輔助測量裝置，有利于提高慣性系統(tǒng)的測量精度，同時又不會增加體積、重量上的負擔，具有廣闊的應用前景[4-5]。

依據(jù)沙蟻偏振光導航定位原理，建立仿沙蟻復眼結構的偏振光測角模型，以此為基礎研制了偏振導航傳感器，通過光軸標定系統(tǒng)準確確定偏振片之間的相對位置，提高了傳感器的精度。在標準測試條件下測試，偏振導航傳感器測角精度優(yōu)于0.18°。

1 傳感器設計原理

沙蟻能利用天空中的偏振光進行導航定位是因為它的視覺系統(tǒng)能夠敏感偏振方向[6]，這個神經系統(tǒng)分為視網膜層和神經中樞層，前者對偏振光的強度和方向分布模式進行感知，后者對其信息進行綜合處理。沙蟻的視網膜由數(shù)百個面向不同方向的視神經感桿組成，每個感桿由8個互相交叉垂直的單向感光器組成，這一結構使每個感桿對特定方向偏振光的刺激響應為正弦曲線，是一個嚴格的方向分析器，在沙蟻體軸與太陽子午線的夾角為0°、60°和120°時達到最大響應值。視神經葉部分的中間神經元分為3種類型，接受視網膜上最大敏感方向互相垂直的視神經感桿輸入，中間神經元的響應結果作為輸入匯合到沙蟻腦部的羅盤神經元，經過計算和譯碼得出沙蟻體軸與太陽子午線的夾角，實現(xiàn)其導航功能[7]。

本文構建的偏振導航傳感器如圖1所示，該傳感器由3個通道組成，每個通道中180°方向上的2個偏振單元光軸垂直。其中,Ⅰ通道偏振光軸為0°方向，Ⅱ，Ⅲ通道偏振光軸方向為60°和120°，這樣就構成了3個偏振方向分析儀(0°，60°和120°)。通過解算3個偏振方向分析儀獲取的信息，得到偏振方位角，為導航系統(tǒng)提供角度信息。

單通道系統(tǒng)組成如圖2所示，天空中的偏振光經濾光后得到藍光，偏振片作為檢偏器使用，透過偏振片的光經過光電二極管S1087轉化為電流信號，每個通道中的2路電流信號送入對數(shù)放大器LOG101的2個輸入端，完成對數(shù)運算后變成電壓信號，經A/D轉換芯片，送入CPU進行偏振方位角的解算。

圖1 偏振導航傳感器原理圖

圖2 單通道系統(tǒng)組成示意圖

每個通道中偏振單元的輸出可描述為

S(Φ)=KI[1+dcos(2Φ-2Φmax)]

(1)

式中，I是光強；K是放大倍數(shù)；d是偏振光的偏振度；Ф是相對于太陽子午線目前的朝向，即偏振方位角；Фmax是使S(Ф)取得最大值的方向。經光電轉換及對數(shù)放大器后，3個通道的輸出為

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

上述3個方程中含有2個未知數(shù)，選擇其中任意2個均能解算出偏振方位角。取其中2個方程經計算得到偏振方位角Ф為

(8)

2 偏振光軸標定系統(tǒng)

在偏振導航傳感器的設計中，光學系統(tǒng)是其中的重要組成部分，由圖1可知，3個通道共需6個偏振片，它們的光軸之間有嚴格的位置要求，是影響傳感器測量精度的一個重要因素，為了保證這6個偏振片之間的位置精度，設計了一套偏振光軸標定系統(tǒng)。

偏振光軸標定系統(tǒng)依據(jù)馬呂斯定率I=I0cos2θ設計，其中I0為入射偏振光的強度，I為透過檢偏器的透射光強，θ為入射偏振光偏振方向與檢偏器偏振方向之間的夾角。偏振光軸標定系統(tǒng)由3部分組成：1)激光器發(fā)出的光經起偏器起偏后產生高精度偏振光；2)偏振光軸調節(jié)部分，將被測偏振片放置在精密旋轉機構上，偏振片做為檢偏器使用；3)功率監(jiān)測部分，在調節(jié)偏振片光軸方向時監(jiān)測輸出的光功率，從而找到偏振片光軸的最佳位置。其原理圖如圖3所示。

起偏器和精密旋轉機構是偏振光軸標定系統(tǒng)的2個重要組成部分。為了提高偏振片光軸間的位置精度，必須有1個高精度起偏器，用以產生高精度的偏振光，作為標定基準。如果選用一般的薄膜偏振片作為起偏器，其消光比為1∶500，相當于偏振光方向誤差2.56°,遠遠達不到設計要求，采用目前國內最好的α-BBO晶體作為起偏器，它的消光比為5×10-6，相當于偏振光方向誤差0.13°,滿足設計要求。精密旋轉機構主要由分度盤和游標盤組成，機械精度主要取決于刻度-游標系統(tǒng)，機械系統(tǒng)加工精度為5μ，游標刻線精度為1′，保證了系統(tǒng)測量精度要求。

圖3 偏振光軸標定系統(tǒng)原理圖

利用偏振光軸標定系統(tǒng)，提高了傳感器各偏振片光軸之間的位置精度，偏振光軸的位置精度優(yōu)于0.16°。

3 傳感器性能測試

為了測試傳感器的性能，研制了偏振導航傳感器測試系統(tǒng)，如圖4所示。主要由電源、鹵鎢燈、光學積分球、高精度旋轉臺和偏振片組成。

電源驅動鹵鎢燈產生的光線在積分球內部被均勻地反射及漫射，在球面上形成均勻的光強分布，得到非常均勻的漫射光。在積分球出口的正前方放置1個高精度旋轉平臺，旋轉平臺上方固定1個線性偏振片，將均勻的漫射光變成高精度線偏振光，由于高精度旋轉臺可以帶動偏振片精密轉動，因此可以按照使用要求改變偏振光的偏振方向。積分球配有3個內部鹵鎢燈和1個外部鹵鎢燈，每個可單獨點亮，光亮度從0～18000cd/m2連續(xù)可調，光功率穩(wěn)定性優(yōu)于99%；偏振片的消光比為1:10000；高精度旋轉臺的分辨率為15′′，重復定位精度為1′。此外，為方便控制積分球與被測傳感器之間的相對位置關系，支架可以做上下、左右和前后三維運動。

圖4 偏振導航傳感器測試系統(tǒng)原理圖

將傳感器置于積分球出口處的正下方，當入射到傳感器的偏振光偏振方向發(fā)生變化時，傳感器測量的偏振方位角也相應的發(fā)生變化，以此模擬太陽光發(fā)出的偏振光偏振方向變化情況。依據(jù)這一原理，制定了測試方法。通過控制高精度旋轉臺，在0°～180°范圍內以1°間隔改變光源輸出偏振光的偏振方向，在每一個測試點記錄傳感器的測量結果，理論上相鄰2個測量值之差為1°，因此通過比較相鄰2個測量值與1°的偏差，評價該傳感器的性能。測試結果如圖5所示，從圖中可以看出偏振光偏振方向在0°～180°范圍內變化時，傳感器測量誤差優(yōu)于0.18°。

圖5 傳感器測量誤差曲線圖

4 結束語

依據(jù)仿生原理設計了偏振導航傳感器，為了保證偏振片的位置精度，研制了偏振光軸標定系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)顯著提高了偏振光軸間的位置精度，偏振光軸的位置精度優(yōu)于0.16°。構建了偏振導航傳感器測試系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)對傳感器的性能進行了綜合測試，傳感器測量誤差優(yōu)于0.18°。

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Design and Calibration for Polarization Navigation Sensor

Jiang Yunqiu1,2， Song Yibo1,2

1. National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligence Control，Beijing 100854，China 2. Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Basedonbiologicalnavigationprinciplebyusingpolarizationlight,themodelofpolarizationnavigationsensorisestablished,andthemeasurementprincipleofmodelisanalyzeddetailedlyinthispaper.Thepolarizationnavigationsensorisdesigned,calibrationsystemofpolarizationlightaxesisestablishedandprecisionofmeasureisimproved.Thetestsystemofsensorisbuilt,andthemeasurederrrorofsensorisexcelled0.18degree.Theseconclusionsaredrawnaspowerfulsupportforfurtherapplicationpolarizationnavigationsensor.

Bionics;Polarize;Navigation;Sensor

2016-06-01

江云秋(1977-)，女，黑龍江人，碩士研究生，工程師，主要從事光電系統(tǒng)研究。宋一鉑(1984),男，湖北襄陽人，工程師，主要從事系統(tǒng)集成技術研究。

TP212.9

A

1006-3242(2016)06-0022-04