专利名称：高精度偏振光导航仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及轮船、飞机、车辆与机器人等交通工具和运动物体的导航，特别是一种直接利用天空中偏振光进行导航的高精度偏振光导航仪。
背景技术：
虽然太阳光本身不是偏振光，但当它穿入大气层时，受到大气分子或其它颗粒的散射，变成只在某一方向上振动或某一方向上振动占优势的偏振光。由于天空中任一点的散射光的偏振方向都垂直于太阳、观察者和该点所组成的平面，由此根据任何一个太阳位置，人们都可以确定整个天空的偏振光图景。反之，即使在阴天或太阳在地平线以下，由天空偏振光图景也可推断太阳的位置。配合时间基准和天文历就可知道观测者所在的位置，达到导航目的。
2001年，澳大利亚的Kane Usher，Peter Ridley与Peter Corke提出了用照相机作为偏振光罗盘的技术，见在先技术(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)。
该在先技术中，探测器测得的天空偏振光的光强和观测者相对太阳子午线方位角的关系可表示为f(φ)＝K(1+dcos(2φ)) (1)式中k是工程因子，d是偏振度，φ是相对于太阳子午线的方位，f(φ)是平均光强度。由公式(1)给出的关系，就可以解得方位角φ。
该在先技术的缺点(1)、需要事先测得几个特殊方位(0°，45°，90°)的光强值，引入了定位角度误差，直接影响到方位角的测量精度；(2)、系统由于采用天空扫描方式，增加了扫描器件，测量速度慢，增加了系统成本和体积，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种高精度偏振光导航仪。该导航仪应具有结构简单，无机械扫描器件，精度高等特点。
本发明的技术解决方案如下一种高精度偏振光导航仪，包括结构相同的第一偏振光镜筒、第二偏振光镜筒、第三偏振光镜筒和第四偏振光镜筒构成的偏振光接收系统；在该偏振光接收系统的输出方向顺次是光束转折器件、偏振调制系统和光电探测器阵列，该光电探测器阵列之后再依次连接锁相放大电路、对数放大电路、数据采集卡和计算机。
所述的偏振光接收系统的第一偏振光镜筒由在光的前进方向同光轴地依次放置的第一宽带滤光片、第一检偏器和第一会聚透镜构成；所述的第二偏振光镜筒由第二宽带滤光片、第二检偏器、第二会聚透镜构成，所述的第三偏振光镜筒由第三宽带滤光片、第三检偏器、第三会聚透镜构成，所述的第四偏振光镜筒由第四宽带滤光片、第四检偏器、第四会聚透镜组成，其中第一检偏器与第二检偏器的偏振方向相互正交；第三检偏器与第四检偏器的偏振方向相互正交，第一检偏器和第三检偏器光轴成60°角。
所述的宽带滤光片是干涉滤光片。
所述的偏振调制系统由在光束前进方向上同光轴地依次放置的第一消色差1/4波片、光弹调制器、第二消色差1/4波片与检偏器构成，其中第一消色差1/4波片和第二消色差1/4波片的快轴方向相互正交。
所述的光电探测器阵列是由光电二级管、光电倍增管、光电池、或CCD列阵构成的。
所述的检偏器为偏振分光棱镜、或偏振片、或镀有膜层的平行平板。
所述的偏振调制系统为光弹调制系统、磁光调制系统或电光调制系统。
本发明的工作情况如下天空中的散射光入射到第一偏振光镜筒，第二偏振光镜筒，第三偏振光镜筒和第四偏振光镜筒中。入射到第一偏振光镜筒中的偏振光首先经过第一带通滤光片后变为具有一定带宽的光束，该光束经过第一检偏器后成为线偏振光，偏振方向与第一检偏器的光轴方向相同，该偏振光经第一会聚透镜后成为平行光出射。散射光在第二偏振光镜筒、第三偏振光镜筒和第四偏振光镜筒中传播情况与散射光在第一偏振光镜筒中情况相同。出射后的4束平行光束射入所述的光路转折器件中，该光路转折器件将4束光束的横向距离进一步缩小到偏振调制系统的入射口径范围内。经转折后的4束平行光垂直入射到偏振调制系统的第一消色差波片上，然后依次入射到光弹调制器、第二消色差1/4波片与检偏器。其中第一第二第三第四带通滤光片与第一消色差1/4波片、第二消色差1/4波片的光谱范围相同。其中一个50KHz交流调制信号加到所述的光弹调制器上，随着交流信号的变化，入射到该光弹调制器上的偏振光的偏振方向改变后入射到检偏器上，而该检偏器对照射在它上面的偏振光的透过率随入射偏振方向而改变。当入射光的偏振方向与检偏器偏振方向之间的夹角为0或π时，其透过率最大，而夹角为π/2时，其透过率最小。这样通过改变加在光弹调制器上的电压值即可改变光弹调制器出射光的偏振方向，进而改变在检偏器处的透过光强度。这样将探测到的直流信号转变成50KHz交流信号，从而大幅度地提高了系统的信噪比和灵敏度。调制后的偏振光被光电探测器阵列接收。接受到的电信号输入锁相放大电路中，得到的直流信号经对数放大电路放大后由数据采集卡送入计算机进行数据处理和显示。
所述的第一偏振光镜筒、第二偏振光镜筒、第三偏振光镜筒和第四偏振光镜筒探测到的光强分别为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是探测到的总光强，I＝Imax+Imin，Imax和Imin分别是光强的最大和最小值，d是偏振度，φ是当前位置相对于太阳子午线的方位角，φmax是s取最大值时φ的值，K是常数，f是调制器的调制频率。
其中第一检偏器和第二检偏器的光轴方向相互垂直，第三检偏器和第四检偏器的光轴方向相互垂直。第一检偏器和第三检偏器的光轴方向，第二检偏器和第四检偏器的光轴方向分别成60°。(2)式忽略直流分量常数幅值后可改写为S1，2，3，4(φ)＝KI[1+dcos(2φ1，2，3，4-2φmax)sinσ](4)将公式(4)所示的信号和调制信号共同输入到所述的锁相放大电路中，得到偏振光镜筒四路信号的振幅。第一偏振光镜筒和第二偏振光镜筒输出的电信号经过对数放大和处理电路后得到两路信号的对数差值为p1,2(φ)=log(1+dcos(2φ)1-dcos(2φ))---(5)]]>第三偏振光镜筒和第四偏振光镜筒输出的电信号经过对数放大和处理电路后得到两路信号的对数差值为p3,4(φ)=log(1+dcos(2φ-2π3)1-dcos(2φ-2π3))---(6)]]>
引入中间变量p(φ)110p(φ)+1=p‾(φ)---(7)]]>则φ的值可写为φ=12dtan(p‾1(φ)+2p‾2(φ)-323(p‾1(φ)-12))---(8)]]>通过对φ值的高精度测量即可实现轮船、飞机、车辆与机器人等运动物体的精确导航。
本发明的优点是与在先技术相比，本发明没有机械转动部件，简化了系统结构，提高了系统的稳定性和可靠性；通过采用偏振调制技术，将探测到的直流信号转变成50KHz交流信号，减小了1/f噪声，从而大幅度地提高了系统的信噪比和灵敏度，提高了导航精度。
图1为本发明的高精度偏振光导航仪结构示意图。
具体实施例方式
先请参阅图1，图1为本发明的高精度偏振光导航仪实施例的结构示意图。由图可见，本发明高精度偏振光导航仪的构成包括结构相同的第一偏振光镜筒1、第二偏振光镜筒2、第三偏振光镜筒3和第四偏振光镜筒4构成的偏振光接收系统；在该偏振光接收系统的输出方向顺次是光束转折器件5、偏振调制系统6、光电探测器阵列7，该光电探测器阵列7之后再依次连接锁相放大电路8、对数放大电路9、数据采集卡10和计算机11。
所述的偏振光接收系统的第一偏振光镜筒1由在光的前进方向同光轴地依次放置的第一宽带滤光片101、第一检偏器102和第一汇聚透镜103构成；所述的第二偏振光镜筒2由第二宽带滤光片201、第二检偏器202、第二汇聚透镜203构成，所述的第三偏振光镜筒3由第三宽带滤光片301、第三检偏器302、第三汇聚透镜303构成，所述的第四偏振光镜筒4由第四宽带滤光片401、第四检偏器402、第四汇聚透镜403组成，其中第一检偏器102与第二检偏器202的偏振方向相互正交；第三检偏器302与第四检偏器402的偏振方向相互正交，第一检偏器102和第三检偏器302光轴成60°。
所述的宽带滤光片是干涉滤光片。
所述的偏振调制系统6由在光束前进方向上同光轴地依次放置的第一消色差1/4波片601、光弹调制器602、第二消色差1/4波片603与检偏器604构成，其中第一消色差1/4波片601与第二消色差1/4波片603的快轴方向相互正交。
所述的光电探测器阵列7由光电二级管、光电倍增管、光电池、或CCD列阵构成。
所述的检偏器为偏振分光棱镜、或偏振片、或镀有膜层的平行平板。
所述的偏振调制系统为光弹调制系统、磁光调制系统或电光调制系统。
当天空中的散射光入射到第一偏振光镜筒1，第二偏振光镜筒2，第三偏振光镜筒3和第四偏振光镜筒4中。入射到第一偏振光镜筒1中的偏振光首先经过带通滤光片101后变为具有一定带宽的光束，该光束经过第一检偏器102后成为线偏振光，偏振方向与第一检偏器102光轴方向相同，该偏振光经汇聚透镜103后成为平行光出射。散射光在第二偏振光镜筒2、第三偏振光镜筒3、第四偏振光镜筒4中传播情况与散射光在第一偏振光镜筒1中情况相同。出射后的4束平行光束照射入光路转折器件5中，该光路转折器件5将4束光束的横向距离进一步缩小到偏振调制系统6的入射口径范围内。经转折后的4束平行光垂直入射到偏振调制系统6的第一消色差波片601上，然后依次经光弹调制器602、第二消色差1/4波片603与检偏器604。其中第一至第四带通滤光片101、201、301、401与第一消色差波片601、第二消色差波片603光谱范围相同。其中一个50KHz交流调制信号加到光弹调制器602上，随着交流信号的变化，入射到光弹调制器602上偏振光的偏振方向改变后入射到检偏器604上，而检偏器604对照射在它上面的偏振光的透过率随入射偏振方向而改变。当入射光的偏振方向与检偏器的偏振方向之间的夹角为0或π时，其透过率最大，当夹角为π/2时，其透过率最小。这样通过改变加在光弹调制器602上的电压值即可改变光弹调制器602出射光的偏振方向，进而改变在检偏器处604的透过光强度。这样将探测到的直流信号转变成50KHz交流信号，从而大幅度地提高了系统的信噪比和灵敏度。调制后的偏振光被光电探测器阵列7接收。接受到的电信号输入锁相放大电路8中，得到的直流信号经对数放大电路9对数放大后由数据采集卡10送入计算机11进行数据处理和显示。
其中光束转折器件5、偏振调制系统6、探测器阵列7、锁相放大电路8、对数放大电路9、数据采集卡10放置在一机壳12内。
所说的锁相放大电路8是指利用锁相环原理实现信号提取和放大的电路，如锁相放大器等。
所说的对数放大电路9是指能将输入的直流或交流信号按对数函数规律进行放大的电路。
所说的消色差1/4波片是指能够将宽波段的入射光相位改变π/2的波片。所说的光弹调制器是指利用晶体的弹光效应制成的偏振调制系统，如HINDS调制器等。
更具体地说，本实施例的宽带滤光片的光谱范围是350-450纳米，所述的检偏器102、202、302、402和604为格兰—泰勒棱镜，消色差波片为带宽350-450纳米的1/4波片，光弹调制器602为HINDS调制器，探测器阵列7为4象限探测器。
光电探测器阵列将接收到的两路偏振光信号转换成电信号，经锁相放大电路和对数放大电路，送到计算机中进行信号处理，实现运动物体的导航。本发明具有系统结构简单、可靠性好、导航精度高等特点。适用于船舶、飞机、车辆与机器人等交通工具和运动物体的实时导航。经实验表明，本发明装置的导航精度，当太阳在中天附近时为±2°。
权利要求
1.一种高精度偏振光导航仪，其特征在于它包括结构相同的第一偏振光镜筒(1)、第二偏振光镜筒(2)、第三偏振光镜筒(3)和第四偏振光镜筒(4)构成的偏振光接收系统；在该偏振光接收系统的输出方向顺次是光束转折器件(5)、偏振调制系统(6)、光电探测器阵列(7)，该光电探测器阵列(7)之后再依次连接锁相放大电路(8)、对数放大电路(9)、数据采集卡(10)和计算机(11)。
2.根据权利要求1所述的高精度偏振光导航仪，其特征在于所述的偏振光接收系统的第一偏振光镜筒(1)由在光的前进方向同光轴地依次放置的第一宽带滤光片(101)、第一检偏器(102)和第一会聚透镜(103)构成；所述的第二偏振光镜筒(2)由第二宽带滤光片(201)、第二检偏器(202)、第二会聚透镜(203)构成，所述的第三偏振光镜筒(3)由第三宽带滤光片(301)、第三检偏器(302)、第三会聚透镜(303)构成，所述的第四偏振光镜筒(4)由第四宽带滤光片(401)、第四检偏器(402)、第四会聚透镜(403)组成，其中第一检偏器(102)与第二检偏器(202)的偏振方向相互正交；第三检偏器(302)与第四检偏器(402)的偏振方向相互正交，第一检偏器(102)和第三检偏器(302)光轴成60°角。
3.根据权利要求1所述的高精度偏振光导航仪，其特征在于所述的宽带滤光片是干涉滤光片。
4.根据权利要求1所述的高精度偏振光导航仪，其特征在于所述的偏振调制系统(6)由在光束前进方向上同光轴地依次放置的第一消色差1/4波片(601)、光弹调制器(602)、第二消色差1/4波片(603)与检偏器(604)构成，其中第一消色差1/4波片(601)与第二消色差1/4波片603的快轴方向相互正交。
5.根据权利要求1所述的高精度偏振光导航仪，其特征在于所述的光电探测器阵列(7)是由光电二级管、光电倍增管、光电池、或CCD列阵构成的。
6.根据权利要求1所述的高精度偏振光导航仪，其特征在于所述的检偏器为偏振分光棱镜、或偏振片、或镀有膜层的平行平板。
7.根据权利要求1所述的高精度偏振光导航仪，其特征在于所述的偏振调制系统(6)为光弹调制系统、磁光调制系统或电光调制系统。
全文摘要
一种通过测量天空偏振光分布实现导航的高精度偏振光导航仪，包括结构相同的第一偏振光镜筒、第二偏振光镜筒、第三偏振光镜筒和第四偏振光镜筒构成的偏振光接收系统；在该偏振光接收系统的输出方向顺次是光束转折器件、偏振调制系统和光电探测器阵列，该光电探测器阵列之后再依次连接锁相放大电路、对数放大电路、数据采集卡和计算机。光电探测器阵列将接收到的两路偏振光信号转换成电信号，经对数放大电路和锁相放大电路送到计算机中进行信号处理，实现运动物体的导航。本发明具有系统结构简单、可靠性好、导航精度高等特点。适用于船舶、飞机、车辆与机器人等交通工具和运动物体的实时导航。
文档编号G01C21/02GK1789916SQ20051011076
公开日2006年6月21日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年11月25日
发明者李代林, 王向朝, 黄旭锋 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所