專利名稱：一種運動方向角度偏振敏感檢測方法和傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于采用偏振光學方法為特征的測量設備，特別涉及一種利用大氣中相對穩(wěn)定的偏振光分布模式進行運動物體角位移測量的檢測方法和傳感器。

背景技術(shù)：
目前的導航測定方位角度傳感器，主要包含地磁羅盤、慣性陀螺儀以及天文六分儀。地磁羅盤原理結(jié)構(gòu)簡單，但精度較低；慣性陀螺儀測定運動方向瞬時精度高，但長期使用具有較大的積累誤差，為了獲得準確的運動方向角度，必須利用其它導航傳感器定期對慣性陀螺進行校準；早期的天文六分儀原理裝置簡單，也有較高的測量精度，但是定位測向計算步驟多，時間長，因而在實用中受到了諸多限制?；诤阈敲舾衅鞯奶煳臏y向的傳感器具有很高的測量精度，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，計算性能要求高，生產(chǎn)成本也非常高。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了彌補上述導航測向傳感器在實際工程應用中的不足，提供一種生產(chǎn)成本低、結(jié)構(gòu)原理相對簡單并且具有較高測量精度的導航運動方位角度測量方法和傳感器裝置。本發(fā)明用于測量自由運動物體的航向角度，它直接利用太陽輻射可見光在大氣中散射形成的相對穩(wěn)定的偏振光分布模式，經(jīng)過濾光元件、檢偏器件、對數(shù)放大調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)采集處理模塊，連續(xù)實時的推導計算出當前運動方向。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種運動方向角度偏振敏感檢測方法和傳感器裝置，其檢測方法的特征是采用三個偏振主軸成120°角的偏振光檢測通道敏感天空可見光的偏振分布模式，進行歸一化算法處理，結(jié)合方向光強度辨別方法解算出運動物體的運動方向角度，其實現(xiàn)過程如下 1)單通道偏振光檢測單個偏振光檢測通道C1，C2，C3是由一對偏振透光軸互相正交的檢偏器連接光敏二極管作為高精度對數(shù)運算放大器的兩個輸入端，輸入的光電流可以表示為 si1(φ)＝KI(1+dcos(2φ-2φmax))，i＝1，2，3.(1) si2(φ)＝KI(1+dcos(2φ-2(φmax+90))) 其中，φmax是使s(φ)取最大值的方向，分別取0°，120°，240°，對應三個偏振光檢測通道，si1(φ)和si2(φ)表示一個偏振光檢測通道中與主方向平行和垂直時的光電流輸入，其中，I是總的光強度I＝Imax+Imin，Imax，Imin分別是最大和最小光強度。d是偏振程度，φ是零度方向相對于當前太陽子午線的夾角，K是一個常數(shù)； 2)三通道偏振光檢測利用具有三個偏振敏感主軸方向的線性檢偏器模仿沙漠螞蟻的神經(jīng)感桿，傳感器由三個偏振敏感主軸方向成120°的偏振光檢測通道C1，C2，C3組成，三個偏振光檢測通道的輸出表達式為 3)三通道輸出歸一化處理對于不同的時間和地理位置，在天空偏振光的照射下，偏振導航傳感器繞參考線旋轉(zhuǎn)一周后，三個偏振光檢測通道輸出的振幅不同的電壓信號，經(jīng)過歸一化算法處理之后，可以輸出標準的正弦信號，歸一化過程如下 首先，對三通道原始輸出進行反對數(shù)處理 然后，利用三角恒等變換，給出偏振程度d的表達式 最后，將式(5)代入式(2)，(3)，(4)中，得到歸一化輸出表達式 4)運動方向角度解算對于不同的運動方向角度，根據(jù)三個主軸方向為0°，120°，240°的偏振光檢測通道的歸一化輸出響應值，可以獲得傳感器參考方向與太陽子午線之間的夾角，角度輸出可以表示為 由于，三個偏振光檢測通道輸出函數(shù)的周期為180°，在0°到360°范圍內(nèi)，滿足式(10)的候選角度值有2個，結(jié)合方向光強度檢測通道I1，I2，I3的輸出結(jié)果，選擇方向光強度較大的候選角度作為真實的運動方位角度。
采用的傳感器裝置中的傳感器上蓋2是由具有一定厚度的不銹鋼短圓柱體制成，短圓柱體上均勻分布6個圓孔a，為偏振光通道，玻璃濾光片1放置在短圓柱體上部的大圓形凹槽b中，短圓柱體的下部開有兩組凹槽，內(nèi)圈的凹槽為凹槽c共6個，外圈的凹槽為凹槽d共6個，均勻分布，每組凹槽分別與主體4中的凸臺相配合用于壓緊偏振片；傳感器主體4，是由具有厚度數(shù)倍于上蓋的不銹鋼圓柱體制成，該圓柱體上均勻分布與上蓋部分對應的6個圓孔a’，為偏振光通道，圓柱體的上面有兩組凸臺，內(nèi)圈的凸臺為凸臺c’共6個，外圈的凸臺為凸臺d’共6個，均勻分布，和上蓋2中的凹槽c，d相配合用于偏振片的定位，檢測方向光強度的光敏電阻12放置在圓柱體的圓周面上均勻分布6個凹槽e中，光敏電阻引線13通過引線孔f連接在電路板5上；偏振片8，6個60°扇形偏振片8，分成三對，每對中的兩個偏振片的敏感主軸互相正交，組成0°，120°，240°的偏振光通道的檢測器件；光電二極管14安裝在電路板5上，使其位于主體4的圓孔a’的中心；電路板引線10連接電路板5和電路板6；傳感器上蓋2和主體4，用4個螺釘7將上蓋2和主體4固接在一起，用4個螺釘9將主體4與電路板5固接在一起，用兩個銷釘3將上蓋2，主體4，電路板5進行定位。
本發(fā)明的顯著效果是利用光介質(zhì)進行測量，測量設備相對簡單、不含有運動裝置、對電磁環(huán)境沒有特殊要求，便于工程實現(xiàn)，并且具有較強的環(huán)境耐受能力。



圖1-傳感器原理圖，其中C1-0°偏振光檢測通道，C2-120°偏振光檢測通道，C3-240°偏振光檢測通道，I1-方向光強度檢測通道1，I2-方向光強度檢測通道2，I3-方向光強度檢測通道3，圖2-傳感器裝配圖主視圖，圖3-傳感器裝配圖C-C視圖，圖4-傳感器全剖左視圖，圖5-傳感器裝配圖A-A視圖，圖6-上蓋主視圖，圖7-上蓋俯視圖，圖8-上蓋E向視圖，圖9-偏振片，圖10-主體主視圖，圖11-主體俯視圖，圖12-主體全剖左視圖，其中1-濾光片，2-上蓋，3-銷釘，4-主體，5-電路板，6-電路板，7-螺釘，8-偏振片，9-螺釘，10-傳感器電路板信號線，12-光敏電阻，13-光敏電阻信號線，14-光電二極管，15-螺釘；a-偏振光通道，b-凹槽，c-凹槽，d-凹槽，e-凹槽，f-引線孔，a’-偏振光通道，c’-凸臺，d’-凸臺； 圖13-偏振光檢測通道原理圖，圖14-不同時刻偏振導航傳感器旋轉(zhuǎn)一周三個偏振光檢測通道輸出，橫軸為傳感器參考方向與太陽子午線的夾角(/度)，縱軸為三個偏振光檢測通道的輸出電壓(/伏特)，圖15-偏振導航傳感器旋轉(zhuǎn)一周三通道歸一化輸出，橫軸為傳感器參考方向與太陽子午線的夾角(/度)，縱軸為三個偏振光檢測通道的輸出電壓(/伏特)。

具體實施例方式 根據(jù)瑞利大氣單散射模型，太陽光在天空的偏振分布模式中，每一點的偏振方位受天氣因素影響小，比較穩(wěn)定。而生物神經(jīng)學家研究表明沙漠螞蟻能夠通過偏振復眼來感知天空光偏振模式，從準確判定運動方向。本發(fā)明模仿沙漠螞蟻依靠天空偏振光進行導航的機理，利用光電敏感元件研制應用于工程技術(shù)領域的導航測定方位角度的傳感器。本發(fā)明的關鍵部件是偏振光檢測通道。一個偏振光檢測通道是由一對透光軸互相正交的線性偏振元件組成，入射光線經(jīng)過光電二極管和對數(shù)比率運算放大器之后，輸出的信號是入射偏振光線的振動方向和偏振程度的函數(shù)。在入射光線的照射下，偏振分析器旋轉(zhuǎn)一周所得的響應曲線是正弦曲線。這樣通過三個主軸方向為0°，120°，240°的角度分析器對于角度的不同響應值就可以確定導航傳感器的0°方向與太陽子午線方位的夾角。
結(jié)合附圖詳細說明偏振光檢測方法的具體實施。當偏振導航傳感器的0°參考線與太陽子午線夾角為φ，光強度為I，偏振度為d時，偏振方位分析器內(nèi)部偏振透光軸正交的兩路產(chǎn)生具有90°位相差的電流信號，再經(jīng)過對數(shù)運算放大器的作用產(chǎn)生一路模擬電壓輸出信號，如附圖13。三個偏振方位分析器通道的電壓輸出可以由式(2)表達，由于方程組含有兩個未知數(shù)和三個等式，因此一定可以求解出φ。
結(jié)合附圖14與附圖15說明本發(fā)明中傳感器的角度輸出與天空光的絕對強度值和偏振程度值無關。圖14為傳感器角度輸出實驗中，一天中不同時刻偏振傳感器旋轉(zhuǎn)360°后，三個偏振光檢測通道的原始電壓輸出，由于光強度和偏振程度的不同，三個通道的輸出電壓的波形相似，但是輸出電壓振幅不同；圖15是經(jīng)過歸一化之后三個偏振檢測通道的輸出，可以看出天空光的絕對強度值和偏振程度值變化對于傳感器的角度輸出沒有影響。
結(jié)合附圖15說明偏振導航傳感器的方位角度解算方法。偏振導航傳感器旋轉(zhuǎn)360°后，三個偏振方位分析器輸出的模擬電壓值經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、反對數(shù)運算以及歸一化處理，得到了與天空偏振光的絕對強度值和偏振程度值無關的三條曲線。這三條曲線是位相差為0°、120°以及240°的正弦曲線，當偏振導航傳感器與太陽子午線的夾角為φ時，根據(jù)任何兩個通道的歸一化輸出值都可以計算獲得當前的方位角度值。由于歸一化曲線的周期性，每一次解算可以獲得兩個角度差為180°的候選值，而偏振導航傳感器當前的真實方位是唯一的，這個二義性通過傳感器方向光強度檢測通道的輸出結(jié)果能夠很容易的消除。
結(jié)合附圖1說明傳感器方向光強度檢測通道的實施方法。光敏感探測面水平放置的六個光敏電阻均勻分布在同一個圓周上，作為水平面內(nèi)太陽光強度方位分布的探測器。方向正對的一對光敏電阻位于一路邏輯比較電路中，當太陽位于偏振傳感器的不同方位時，和太陽臨近的光敏電阻阻值變小，電流值增大，而與其正對的光敏電阻由于背對太陽，光敏電阻阻值增大，電流值變小，通過三路邏輯判別輸出結(jié)果和偏振角度輸出可以判斷出偏振導航傳感器與太陽的方位關系，進而獲得偏振導航傳感器當前的方位角度值。
權(quán)利要求
1.一種運動方向角度偏振敏感檢測方法和傳感器裝置，其檢測方法的特征是，采用三個偏振主軸成120°角的偏振光通道，檢測天空可見光的偏振分布模式，進行歸一化算法處理，結(jié)合方向光強度辨別方法解算出運動物體的運動方向角度，其實現(xiàn)過程如下
1)對單通道偏振光檢測單個偏振光檢測通道(C1)，(C2)，(C3)是由一對偏振透光軸互相正交的檢偏器連接光敏二極管，作為高精度對數(shù)運算放大器的兩個輸入端，輸入的光電流可以表示為
Si1(φ)＝KI(1+dcos(2φ-2φmax))，
i＝1，2，3. (1)
Si2(φ)＝KI(1+dcos(2φ-2(φmax+90)))
其中，φmax是使s(φ)取最大值的方向，分別取0°，120°，240°；對應三個偏振光檢測通道，si1(φ)和si2(φ)表示一個偏振光檢測通道中與主方向平行和垂直時的光電流輸入，其中，I是總的光強度I＝Imax+Imin，Imax，Imin分別是最大和最小光強度，d是偏振程度，φ是零度方向相對于當前太陽子午線的夾角，K是一個常數(shù)；
2)對三通道偏振光檢測利用具有三個偏振敏感主軸方向的線性檢偏器模仿沙漠螞蟻的神經(jīng)感桿，傳感器由三個偏振敏感主軸方向成120°的偏振光檢測通道(C1)，(C2)，(C3)組成，三個偏振光檢測通道的輸出表達式為
3)三通道輸出歸一化處理對于不同的時間和地理位置，在天空偏振光的照射下，偏振導航傳感器繞參考線旋轉(zhuǎn)一周后，三個偏振光檢測通道輸出的振幅不同的電壓信號，經(jīng)過歸一化算法處理之后，可以輸出標準的正弦信號，歸一化過程如下首先，對三通道原始輸出進行反對數(shù)處理
然后，利用三角恒等變換，給出偏振程度d的表達式
最后，將(5)代入(2)，(3)，(4)式，得到歸一化輸出表達式
4)運動方向角度解算對于不同的運動方向角度，根據(jù)三個主軸方向為0°，120°，240°的偏振光檢測通道的歸一化輸出響應值，可以獲得傳感器參考方向與太陽子午線之間的夾角，角度輸出可以表示為
由于，三個偏振光檢測通道輸出函數(shù)的周期為180°，在0°到360°范圍內(nèi)，滿足式(10)的候選角度值有2個，結(jié)合方向光強度檢測通道(I1)，(I2)，(I3)的輸出結(jié)果，選擇方向光強度較大的候選角度作為真實的運動方位角度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種運動方向角度偏振敏感檢測方法和傳感器裝置，其采用的傳感器裝置特征是，傳感器上蓋(2)是由具有一定厚度的不銹鋼短圓柱體制成，短圓柱體上均勻分布6個圓孔，即為偏振光通道(a)，玻璃濾光片(1)放置在短圓柱體上部的大圓形凹槽(b)中，短圓柱體的下部開有兩組凹槽，內(nèi)圈的凹槽為凹槽(c)共6個，外圈的凹槽為凹槽(d)共6個，凹槽均勻分布；傳感器主體(4)是由具有厚度數(shù)倍于上蓋的不銹鋼圓柱體制成，該圓柱體上均勻分布有與上蓋部分對應的6個圓孔，即為主體上偏振光通道(a’)，圓柱體的上表面有兩組凸臺，內(nèi)圈的凸臺為凸臺(c’)共6個，外圈的凸臺為凸臺(d’)共6個，都是均勻分布，上蓋(2)中的凹槽(c)，(d)分別與主體(4)上表面的兩組凸臺(c’)，(d’)相配合，用于偏振片的定位；檢測方向光強度的光敏電阻(12)放置在圓柱體的圓周面上均勻分布6個凹槽(e)中，光敏電阻引線(13)通過引線孔(f)連接在電路板(5)上；6個具有60°角的扇形偏振片(8)，均勻放置在上蓋(2)中的凹槽和主體(4)中的凸臺之間，并分成三對，，每對中的兩個偏振片的敏感主軸互相正交，組成0°，120°，240°的偏振光通道的檢測器件；光電二極管(14)安裝在電路板(5)上，使其位于主體(4)的圓孔(a’)的中心；電路板引線(10)連接電路板(5)和電路板(6)；用兩個銷釘(3)將上蓋(2)，主體(4)，電路板(5)進行定位；用4個螺釘(7)將上蓋(2)和主體(4)固接在一起，用4個螺釘(9)將主體(4)與電路板(5)固接在一起。
全文摘要
本發(fā)明模仿了沙漠螞蟻依靠天空偏振光感知運動方向的機理，提出了一種面向?qū)Ш綉玫钠衩舾袦y定運動方向的方法和傳感器裝置，屬于導航測向傳感器設計領域。偏振導航傳感器主要由偏振光探測、光電轉(zhuǎn)換、信號放大濾波調(diào)理、方向光強度辨識、模擬電壓信號采集處理、方位角度解算輸出等主要部分構(gòu)成。該發(fā)明為光機電一體化設計，通過選擇特定帶通濾光片以及高精度對數(shù)運算放大電路解決了天空偏振光波段過寬以及不同時刻偏振光強度變化范圍過大問題，使傳感器的角度輸出與光強度變化無關；同時采用獨特的角度歸一化解算方法，消除了天空偏振光偏振程度變化對于傳感器測角精度的影響。該發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、測角精度高的優(yōu)點。
文檔編號G01P13/02GK101149390SQ20071015792
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日
發(fā)明者褚金奎, 趙開春, 強 張, 王體昌 申請人:大連理工大學