分振幅偏振导航角度传感设计方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明属于导航与测控领域，涉及一种利用天空散射光偏振信息进行导航的分振幅角度传感设计方法及装置。该方法采取a)分振幅多通道同步探测方式对入射光偏振态进行探测；b)小视场望远镜实现集光、定向测量功能；c)斯托克斯矢量和矩阵分析法解析线偏振光电场矢量振动方位角；d)以仪器矩阵条件数为评价因子对传感装置内部元器件指标、装调状态进行系统优化设计；e)基准偏振态发生器对传感装置仪器矩阵进行精确标定，以及对传感装置进行校准和精度检验。本发明为利用光学手段进行自主导航提供新的技术途径，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。
【专利说明】分振幅偏振导航角度传感设计方法及装置
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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I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I安装在镜筒4内。图2中，入射光波5透过偏振片I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2X2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 X 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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]对于后一种已有设计模型，理论上完全可行，采用集成电路加工工艺也易于实现小型化，但却存在测量精度、灵敏度不高的问题。这主要是因为它采用集成的金属线栅作为偏振器，偏光性能较弱，消光比通常只能达到10-2，是一类适用于长波段(近红外、红外、远红夕卜)的偏振器，在短波(例如蓝光、紫光)情况下偏振消光性能更差。而天空散射光在短波段(蓝紫光)的偏振特性最显著，短波段最适合作为偏光导航传感的工作波段。另一方面，超精密、高集成度的光刻加工工艺十分复杂，成本投入巨大。此外，因采用2X2像素探测模式，将同一入射光波按空间位置分割成四部分，各像素分别探测不同的偏振分量，光能利用率不高，且容易导致相邻像素之间的散射/反射杂光干扰，降低测量精度和灵敏度。
[0007]基于上述情况，本发明提出分振幅偏振导航角度传感设计方法及装置，其利用分振幅方法来实现对偏振分量的多通道同步高效探测，利用斯托克斯矢量和矩阵理论来实现原理分析、优化设计和方位角解析，利用小视场望远镜实现集光及定向测量能力，从而能够解决上述问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种分振幅的偏振导航角度传感设计方法及装置。本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0009]本发明的一种分振幅的偏振导航角度传感设计方法为:
[0010]a)采取分振幅多通道同步探测方式对入射光偏振态进行探测；
[0011]b)采取斯托克斯矢量和矩阵分析法解析线偏振光电场矢量振动方位角；
[0012]c)采取仪器矩阵条件数为评价因子对传感装置内部元器件指标、装调状态进行系统优化设计；
[0013]d)采取基准偏振态发生器对传感装置仪器矩阵进行精确标定，以及对传感装置进行校准和精度检验。
[0014]所述分振幅包括棱镜分振幅、光栅分振幅、平板玻璃分振幅、衍射光学元件分振幅和声光器件分振幅；通道数量包括三通道及以上的通道数量。
[0015]进行系统优化设计的评价因子可以是仪器矩阵的条件数，或其它类型的用以判定矩阵病态程度的数学度量。
[0016]采用光学相位延迟器对光束偏振态进行变换。
[0017]本发明的一种分振幅偏振导航角度传感装置，包括集光镜、带通滤光片、调制器、分光镜、第一相位延迟器、第二相位延迟器、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一聚光透镜、第二聚光透镜、第三聚光透镜、第四聚光透镜、第一小孔光阑、第二小孔光阑、第三小孔光阑、第四小孔光阑、第一光敏探测器、第二光敏探测器、第三光敏探测器、第四光敏探测器、数据采集单元、计算及信息显示输出单元；其中:集光镜、带通滤光片位于最前端，其相互位置可调；调制器位于集光镜、带通滤光片之后；集光镜、带通滤光片、调制器构成传感装置的公共进光通道；分光镜将入射光束一分为二 ；第一相位延迟器、第二相位延迟器紧接着位于分光镜之后的两束光路中；第一偏振分光镜、第二偏振分光镜分别位于第一相位延迟器、第二相位延迟器之后，其位置可互调；聚光镜放置于光敏探测器之前，两者共同放置于四个光路通道的末端；小孔光阑位置可调；四个光敏探测器引出的四个电信号传递给数据采集单元，数据采集单元产生的数据传递给计算及信息显示输出单元。
[0018]所述集光镜可为内置了视场光阑的开普勒式望远镜，也可为其它形式的具有集光和定向观测能力的望远镜；
[0019]所述调制器种类包括光学斩波器、电光调制器、光弹调制器、声光调制器。
[0020]所述第一相位延迟器、第二相位延迟器的位置可以互换；相位延迟器种类包括波片、棱体、补偿器、液晶器件；相位延迟器数量不限于二个。
[0021]所述分光镜、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜的种类包括棱镜、衍射光栅、平行玻璃平板、衍射光学71:件、声光器件；分光镜、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜可为同种器件，也可为不同的器件，还可合并为一个器件；第一小孔光阑的位置不限于第一聚光透镜和第一光敏探测器之间；第二小孔光阑的位置不限于第二聚光透镜和第二光敏探测器之间；第三小孔光阑的位置不限于第三聚光透镜和第三光敏探测器之间；第四小孔光阑的位置不限于第四聚光透镜和第四光敏探测器之间；小孔光阑的数量不限于通道数量。
[0022]所述光敏探测器种类包括硅基光电探测器、磷化镓光电探测器、光电倍增管、雪崩光电探测器和位置传感探测器；数据采集单元可以是外置独立的采集器，也可以集成到传感装置内部电路中；计算及信息显示输出单元可以是计算机及测控软件，也可以是集成于传感装置中的嵌入式软硬件功能模块。
[0023]所述多通道的光路布局形式可以是平面布局形式，也可以是空间立体布局形式；各通道光路中还可设置其它光学元件，包括线偏振器、透镜、棱镜、反光镜、保护玻璃。
[0024]所述位置传感探测器，用于感知光点的横向漂移和光束对准。
[0025]有益效果
[0026]对比已有技术，本发明具有以下方法创新:
[0027]1、分振幅斯托克斯矢量多通道同步测量原理。以分振幅原理实现了天空偏振光斯托克斯矢量的多通道同步测量，解决了当前业已提出的分波面偏振导航传感器模型存在的传感精度不够高、杂光较为严重、光能利用率低等问题。以偏振光斯托克斯矢量方法进行设计，使得矩阵理论在系统分析、优化设计中得以有效应用，使得以仪器矩阵条件数为评价因子的优化设计成为可能。这是区别于现有分波面型偏振导航传感技术的创新点之一。
[0028]2、以仪器矩阵条件数为评价因子的优化设计方法，能在显著降低安装调整难度、降低器材技术指标要求的同时，提高传感装置的灵敏度和精度。可采用最小二乘法、神经网络训练法等数学方法，配合基准偏振态发生器，实现对仪器矩阵的精确标定，再将仪器矩阵条件数作为评价因子，对传感装置内部元器件的参数配置和装调定位进行优化设计，可大大降低测量精度对传感装置内部元器件性能指标、装调精度的依赖性，提高传感装置的测量灵敏度和精度。这是区别于现有分波面型偏振导航传感技术的创新点之二。
[0029]本发明方法及装置具有如下显著特点:
[0030]1、传感精度、灵敏度高。优选具有高偏振性能的晶体型偏振分光棱镜作为偏光元件，相比当前业已提出的分波面传感装置所采用的线偏振片，消光能力可提高约两个数量级，并避免线偏振片拼接时的角度对准误差，有效提高测量精度和灵敏性。对装调定位的优化设计保证传感装置达到最优传感性能。
[0031]2、光能利用率高，抗杂光能力强。分振幅多通道同步测量方法可达到近乎完全的光能利用率，产生的干扰杂光极小，有利于提高测量信噪比和灵敏度，也有利于传感装置在弱光环境下工作。
[0032]3、集光能力和定向测量能力强。以小视场望远镜作为共光路集光镜，集光能力强、引入的干扰杂光少，能适用于较弱的光照环境；通过优化设计望远物镜、目镜在轴上及蓝光波段的像差，在提高集光能力的同时还可具备较好的定向测量能力，有利于提高测量信噪比和灵敏度。
[0033]4、传感器响应速度快。多通道同步测量模式，可达很快的响应速度，主要取决于光电探测器响应速度和信号的后续分析处理速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为当前已有的偏振导航角度传感装置之一的平面示意图；
[0035]图2为当前已有的偏振导航角度传感装置之一的立体示意图；
[0036]图3为当前已有的偏振导航角度传感装置之二的最小功能单元示意图；
[0037]图4为套筒集光机构的视场角及杂散光不意图；
[0038]图5为分振幅偏振导航角度传感设计方法与装置的原理示意图；
[0039]图6为实施例1示意图；
[0040]图7为实施例1中四个光敏探测器的实测响应曲线；
[0041]图8为实施例1中线偏振方位角的理论值和实测值对比；
[0042]图9为实施例1中线偏振方位角的测量误差；
[0043]图10为实施例2示意图；
[0044]图11为实施例2中平行玻璃平板上表面的一种分区形式。
[0045]其中，1-偏振片、2-偏振片主方向、3-光敏探测器、4-镜筒、5-入射光线、6_普通像元、7-集成90°线栅的像元、8-集成0°线栅的像元、9-集成45°线栅的像元、10-光敏探测器、11-套筒、12-第一光线、13-第二光线、14-第三光线、15-集光镜、16-带通滤光片、17-调制器、18-分光镜、19-第一相位延迟器、20-第二相位延迟器、21-第一偏振分光镜、22-第二偏振分光镜、23-第一聚光透镜、24-第二聚光透镜、25-第三聚光透镜、26-第四聚光透镜、27-第一小孔光阑、28-第二小孔光阑、29-第三小孔光阑、30-第四小孔光阑、31-第一光敏探测器、32-第二光敏探测器、33-第三光敏探测器、34-第四光敏探测器、35-数据采集单元、36-计算及信息显示输出单元、37-基准偏振态发生器、38-第一渥拉斯顿棱镜、39-第二渥拉斯顿棱镜、40-平行玻璃平板、41-第一线偏振器、42-第二线偏振器、43-第三线偏振器、44-第四线偏振器、45-第一区域、46-第二区域、47-第三区域、48-第四区域。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0047]本发明的实质是采用分振幅多通道测量方式测量入射光波的斯托克斯矢量，然后根据测得的斯托克斯矢量参数解算出入射光波电场矢量的“优势”振动方向相对于参考方向的方位角，继而用于偏振导航目的。
[0048]如图5所示，集光镜15为开普勒式望远镜，用于收集来自远方天空的散射光，并将光束口径缩小，提高光束辐射强度。增大集光镜的物镜口径，能提高集光能力。集光镜15的物镜焦平面上放置一个视场光阑，用以限制物方视场角，实现定向测量功能。带通滤光片16选择工作波长范围，其工作波长通常为紫外、紫光、蓝光等短波段(< 500nm)，但不限于短波段；在光强足够的条件下，可适当减小滤光片的带宽；带通滤光片的放置位置较为灵活，但应置于分光镜18之前，即公共进光通道中。调制器17将入射光波进行强度调制，以便减少环境杂光等的影响，通过此种方式还可滤除电子电路的直流背景信号；若环境杂光、电路暗电流等很小，并可忽略不计，则调制器17可不采用。分光镜18为普通分光棱镜，将入射光束分为两束，一束通往第一相位延迟器19，另一束通往第二相位延迟器20。第一相位延迟器19、第二相位延迟器20分别为1/4波片、1/2波片。第一相位延迟器19的快轴方位角为45°，第二相位延迟器20的快轴方位角为22.5°，相位延迟器19、20的位置可以互换。偏振分光镜21、22为棱镜，各自将两束光波中的P、s偏振分量分离，形成四束线偏振光，通过聚光透镜和小孔光阑后，聚焦投射在四个探测器上，产生四个与光强成正比的模拟电信号。模拟电信号传递给数据采集单元35，数据采集单元35完成模拟电信号的A/D转换，产生的数据再传递给计算及信息显示输出单元36进行处理、计算、分析，并显示和输出结果。图5中的x-y-z坐标系为该装置的参考方向。
[0049]分振幅偏振导航角度传感设计方法的实施步骤如下:
[0050]第一步，进行仪器常数标定。按图5构建传感装置，由基准偏振态发生器产生N个互不相关的偏振态为Sk = [skosklSk2Sk3]1的入射光波(k = I, 2，3…N，N≥4)，并依次导入传感装置。四个探测器(31~34)探测到信号分别为
[0051]Iko — a00Sk0+a01 Skl+a02Sk2+a03Sk3
[0052]Ikl — a10sk0+anskl+a12sk2+a13sk3
[0053]Ik2 — a20Sk0+a21Skl+a22Sk2+a23Sk3
[0054]Ik3 — a3(lsk(l+a31skl+a32sk2+a33sk3
[0055]该线性方程组也可表示为矩阵形式Ik = ASk，其中Ik = [IkoIklIk2Ik3]1, Bij (i =0…3，j=0…3)为仪器常数矩阵A的矩阵元。根据已知的偏振态斯托克斯参量数据Sk及探测器测得的光强数据Ik，即可用最小二乘法标定出仪器矩阵参数au。计算仪器矩阵的条件数K⑷。
[0056]第二步，调整传感装置的内部参数配置、装调状态，例如分光比、相位延迟量、角度位置对准、横向位置对准、电子器件放大率等，并重复第一步，判断仪器矩阵的条件数K(A)是否减小。
[0057]第三步，对传感装置进行优化。重复第一步、第二步，使得仪器矩阵的条件数K (A)尽可能减小，以便使传感装置达到最优探测性能。记录下此时的仪器矩阵数值，作为第四步实测计算之用。
[0058]第四步，实际测量。将已优化、装调好的传感装置用于天空散射光测量，
[0059]根据光敏探测器测得的信号数据，按下式解算出被测光的斯托克斯矢量
【权利要求】
1.分振幅偏振导航角度传感设计方法，其特征在于: a)采取分振幅多通道同步探测方式对入射光偏振态进行探测； b)采取斯托克斯矢量和矩阵分析法解析线偏振光电场矢量振动方位角； c)采取仪器矩阵条件数为评价因子对传感装置内部元器件指标、装调状态进行系统优化设计； d)采取基准偏振态发生器对传感装置仪器矩阵进行精确标定，以及对传感装置进行校准和精度检验。
2.根据权利要求1所述的分振幅偏振导航角度传感设计方法，其特征在于:分振幅包括棱镜分振幅、光栅分振幅、平板玻璃分振幅、衍射光学兀件分振幅和声光器件分振幅；通道数量包括三通道及以上的通道数量。
3.根据权利要求1所述的分振幅偏振导航角度传感设计方法，其特征在于:进行系统优化设计的评价因子可以是仪器矩阵的条件数，或其它类型的用以判定矩阵病态程度的数学度量。
4.根据权利要求1所述的分振幅偏振导航角度传感设计方法，其特征在于:采用光学相位延迟器对光束偏振态进行变换。
5.分振幅偏振导航角度传感装置，其特征在于:包括集光镜(15)、带通滤光片(16)、调制器(17)、分光镜(18)、第一相位延迟器(19)、第二相位延迟器(20)、第一偏振分光镜(21)、第二偏振分光镜(22)、第一聚光透镜(23)、第二聚光透镜(24)、第三聚光透镜(25)、第四聚光透镜(26)、第一小孔光阑(27)、第二小孔光阑(28)、第三小孔光阑(29)、第四小孔光阑(30)、第一光敏探测器(31)、第二光敏探测器(32)、第三光敏探测器(33)、第四光敏探测器(34)、数据采集单元(35)、计算及信息显示输出单元(36);其中:集光镜(15)、带通滤光片(16)位于最前端，其相互位置可调；调制器(17)位于集光镜(15)、带通滤光片(16)之后；集光镜(15)、带通滤光片(16)、调制器(17)构成传感装置的公共进光通道；分光镜(18)将入射光束一分为二 ；第一相位延迟器(19)、第二相位延迟器(20)紧接着位于分光镜(18)之后的两束光路中；第一偏振分光镜(21)、第二偏振分光镜(22)分别位于第一相位延迟器(19)、第二相位延迟器(20)之后，其位置可互调；聚光镜放置于光敏探测器之前，两者共同放置于四个光路通道的末端；小孔光阑位置可调；四个光敏探测器引出的四个电信号传递给数据采集单元(35)，数据采集单元(35)产生的数据传递给计算及信息显示输出单元(36)。
6.根据权利要求5所述的分振幅偏振导航角度传感装置，其特征在于:集光镜(15)可为内置了视场光阑的开普勒式望远镜，也可为其它形式的具有集光和定向观测能力的望远镜；调制器(17)种类包括光学斩波器、电光调制器、光弹调制器、声光调制器。
7.根据权利要求5所述的分振幅偏振导航角度传感装置，其特征在于:第一相位延迟器(19)、第二相位延迟器(20)的位置可以互换；相位延迟器种类包括波片、棱体、补偿器、液晶器件；相位延迟器数量不限于二个。
8.根据权利要 5所述的分振幅偏振导航角度传感装置，其特征在于:分光镜(18)、第一偏振分光镜(21)、第二偏振分光镜(22)的种类包括棱镜、衍射光栅、平行玻璃平板；分光镜(18)、第一偏振分光镜(21)、第二偏振分光镜(22)可为同种器件,也可为不同的器件,还可合并为一个器件；第一小孔光阑(27)的位置不限于第一聚光透镜(23)和第一光敏探测器(31)之间；第二小孔光阑(28)的位置不限于第二聚光透镜(24)和第二光敏探测器(32)之间；第三小孔光阑(29)的位置不限于第三聚光透镜(25)和第三光敏探测器(33)之间；第四小孔光阑(30)的位置不限于第四聚光透镜(26)和第四光敏探测器(34)之间；小孔光阑的数量不限于通道数量。
9.根据权利要求5所述的分振幅偏振导航角度传感装置，其特征在于:光敏探测器种类包括硅基光电探测器、磷化镓光电探测器、光电倍增管、雪崩光电探测器和位置传感探测器；数据采集单元(35)可以是外置独立的采集器，也可以集成到传感装置内部电路中；计算及信息显示输出单元(36)可以是计算机及测控软件，也可以是集成于传感装置中的嵌入式软硬件功能模块。
10.根据权利要求5所述的分振幅偏振导航角度传感装置，其特征在于:多通道的光路布局形式可以是平面布局形式，也可以是空间立体布局形式；各通道光路中还可设置其它光学兀件，包括线偏振器、透镜、棱镜、`反光镜、保护玻璃。
【文档编号】G01C21/00GK103776445SQ201410063057
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】张旭升, 赵维谦, 何川, 邱丽荣 申请人:北京理工大学