本發(fā)明涉及偏振光導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其涉及一種基于介質(zhì)膜偏振直角分束棱鏡的偏振光導(dǎo)航算法。

背景技術(shù)：

大氣對(duì)太陽光的瑞利散射導(dǎo)致天空中的散射光具有部分偏振特性，有很多生物如蜜蜂、沙蟻用天空的這種偏振模式分布進(jìn)行導(dǎo)航，這種偏振光導(dǎo)航方式不依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，在一些特殊情況下，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，因此偏振光導(dǎo)航相關(guān)研究是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

在眾多的偏振光導(dǎo)航設(shè)計(jì)中，有一種采用直角分束棱鏡分光的方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如附圖1所示，這種方法采用介質(zhì)膜偏振直角分束棱鏡對(duì)入射的天空部分偏振光進(jìn)行偏振分束，然后兩個(gè)探測(cè)器分別接收兩束光，探測(cè)給出強(qiáng)度信號(hào)，經(jīng)放大電路進(jìn)行放大，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算出偏振方位角和偏振度，利用此偏振信息進(jìn)行導(dǎo)航。這種采用偏振分束棱鏡的設(shè)計(jì)方法與通常的采用偏振薄膜片的方法相比，具有光線透過率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以提高光電探測(cè)器的信噪比，從而提高偏振度和偏振方位角的檢測(cè)精度。但是采用介質(zhì)膜偏振分束棱鏡的設(shè)計(jì)也有其局限性，分束棱鏡本身特性會(huì)導(dǎo)致較大的導(dǎo)航偏振度P和偏振方位角φ的系統(tǒng)誤差，這主要是因?yàn)槠穹质忡R分束比不為1且分束比隨波長(zhǎng)波動(dòng)引起的，這一點(diǎn)在目前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往被忽視。以常規(guī)的介質(zhì)膜偏振直角分束棱鏡p光透過率95%和s光反射率99%為例，偏振度P為0的自然光入射，經(jīng)偏振棱鏡分束后，測(cè)得偏振度P為3%，約為晴空下天空最大偏振度的6%，約為多云天氣下天空最大偏振度的15%，明顯的降低了偏振導(dǎo)航精度。關(guān)于介質(zhì)膜偏振分束棱鏡器件本身分束比不為1的直觀描述可參考附圖2，附圖2為一支普通的直角介質(zhì)膜分束棱鏡在垂直入射情況下的p、s兩偏振分量的透射率譜（引自2006年浙江大學(xué)出版社出版的唐晉發(fā)等編著的《現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù)》第168頁），可以看到工作波段區(qū)間內(nèi)，p分量透射率是波動(dòng)的，s分量透射率波動(dòng)很小，即s分量的反射率波動(dòng)小，所以p、s兩光束的分束比不僅僅不為固定的值1，而且是隨波長(zhǎng)變化而波動(dòng)的。

根據(jù)瑞利散射和米氏散射理論，散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)和散射顆粒尺寸有密切關(guān)系，多云的天空和晴朗的天空相比，受散射顆粒尺度大小不同的影響，天空背景散射光強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的分布會(huì)發(fā)生一定的變化，如上面所述，棱鏡分束比是隨波長(zhǎng)波動(dòng)的，因此采用分束棱鏡的偏振光導(dǎo)航系統(tǒng)有必要選用合適的算法來消除分束棱鏡分束比隨波長(zhǎng)波動(dòng)帶來的系統(tǒng)誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種新的基于介質(zhì)膜偏振直角分束棱鏡的偏振光導(dǎo)航算法，該算法可以消除直角介質(zhì)膜偏振分束棱鏡分束比不為1所導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，提高導(dǎo)航精度，同時(shí)該算法還可以消除直角介質(zhì)膜偏振分束棱鏡分束比隨波長(zhǎng)色散導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，減小天氣變化對(duì)導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算精度的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

如圖1所述，天空背景光經(jīng)準(zhǔn)直濾光系統(tǒng)入射偏振分束棱鏡，分束后的p、s光分別進(jìn)入光電探測(cè)器，對(duì)經(jīng)過放大后采集到的雙通道四路光電探測(cè)器信號(hào)D_ij（i，j=1，2，其中i為第i個(gè)通道，j為第j個(gè)光電探測(cè)器）進(jìn)行混合運(yùn)算處理，消除分束棱鏡引入的系統(tǒng)誤差，最后計(jì)算出導(dǎo)航偏振方位角和偏振度。

本發(fā)明將以上所述內(nèi)容中的光路設(shè)計(jì)部分視為公共技術(shù)方案，本發(fā)明特征體現(xiàn)在對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行混合運(yùn)算處理，消除分束棱鏡引入的系統(tǒng)誤差的算法。

下面詳細(xì)描述由探測(cè)器信號(hào)計(jì)算偏振度P和偏振方位角φ的具體算法。

設(shè)探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換系數(shù)為ρ(λ)，它是波長(zhǎng)λ的函數(shù)，電路放大系數(shù)為K，分束棱鏡p光透過率和s光反射率分別為T_p和R_s，P為入射天空背景光的偏振度，φ為入射天空背景光的偏振方位角，φ_ij為第i通道第j個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)的接收光的偏振方位角，則放大后的探測(cè)器信號(hào)D_ij為：

可定義φ₁₁=0^o，φ₁₂=90^o，φ₂₁=45^o，φ₂₂=135^o，則有：

令Kρ(λ)T_p=X，Kρ(λ)R_s=Y，則有：

（1）

（2）

（3）

（4）

（1）+（2）得：

(5)

（3）+（4）得：

(6)

由（5）、（6）得：

(7)

（1）-（2）得：

(8)

（3）-（4）得：

(9)

（9）/（8）得：

(10)

（1）/（2）得：

(11)

（3）/（4）得：

(12)

(11)²+(12)²得：

(13)

由（10）、（13）式可以分別計(jì)算出偏振方位角φ和偏振度P，且兩式均不含K、ρ(λ)、T_p、R_s，即通過本算法，消除了增益倍數(shù)、光電轉(zhuǎn)換系數(shù)、偏振分束棱鏡反射率、透射率對(duì)偏振方位角φ和偏振度P測(cè)量精度的影響，消除了偏振棱鏡本身特性導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明所述的算法可應(yīng)用于采用分束棱鏡的偏振光導(dǎo)航系統(tǒng)，可消除增益倍數(shù)、光電轉(zhuǎn)換系數(shù)、偏振分束棱鏡反射率、透射率對(duì)偏振方位角φ和偏振度P計(jì)算精度的影響，降低系統(tǒng)誤差。

附圖說明

圖1是一種采用直角分束棱鏡分光的偏振導(dǎo)航結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖2是一支普通的介質(zhì)膜直角分束棱鏡透射率譜線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

如圖一所示，大氣散射的太陽光作為天空背景光進(jìn)入兩個(gè)偏振探測(cè)通道，通道帶有準(zhǔn)直縮束濾色模塊，光線準(zhǔn)直縮束后經(jīng)濾色片濾除偏振棱鏡工作波段以外的光線，垂直入射偏振分束棱鏡后分束為偏振方向垂直的兩束光，分別經(jīng)進(jìn)入帶有匯聚透鏡的光電探測(cè)器探測(cè)窗口，探測(cè)器轉(zhuǎn)換光強(qiáng)度信號(hào)為電信號(hào)。相較于第一個(gè)通道中的分束棱鏡方位，第二個(gè)通道的分束棱鏡放置方位繞光路軸心旋轉(zhuǎn)了45°角，定義第一個(gè)通道的探測(cè)器對(duì)應(yīng)偏振光振動(dòng)方位φ₁₁=0^o，則φ₁₂=90^o，φ₂₁=45^o，φ₂₂=135^o，將四個(gè)探測(cè)器的信號(hào)輸入信號(hào)放大模塊進(jìn)行放大，計(jì)算機(jī)收集到四個(gè)參量D_ij（i，j=1，2，其中i為第i個(gè)通道，j為第j個(gè)光電探測(cè)器），則D_ij為：

令Kρ(λ)T_p=X，Kρ(λ)R_s=Y，則有：

混合運(yùn)算有：

消去含X、Y得到不含K、ρ(λ)、T_p、R_s的方位角φ和偏振度P的解：

采用上面的算法，計(jì)算出天空背景光的偏振方位角φ和偏振度P，用于偏振導(dǎo)航。

因?yàn)樵撍惴ㄔ谟?jì)算過程中通過混合運(yùn)算的設(shè)計(jì)，使偏振方位角φ和偏振度P的解不含T_p、R_s，消除了分束棱鏡分束比不為1（T_p/R_s≠1）且隨波長(zhǎng)波動(dòng)的影響，因此可以提高系統(tǒng)對(duì)天空背景光的偏振方位角φ和偏振度P的測(cè)量精度，同時(shí)降低天氣變化對(duì)偏振方位角φ和偏振度P的檢測(cè)精度的影響。