基于改進(jìn)仿沙蟻pol神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器及工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于導(dǎo)航傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于改進(jìn)仿沙蟻P0L神經(jīng)元的偏振光 導(dǎo)航傳感器及工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 導(dǎo)航主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS)、天文導(dǎo)航系統(tǒng)(CNS)、數(shù) 據(jù)庫(kù)或景象參考導(dǎo)航系統(tǒng)以及無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)等。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inenial Navigation)， 應(yīng)用牛頓力學(xué)定律，是一個(gè)積分求解的定位系統(tǒng)。它主要由加速度計(jì)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、陀螺儀 以及慣導(dǎo)平臺(tái)、導(dǎo)航與補(bǔ)償算法等組成。由安裝于載體內(nèi)部的加速度計(jì)和陀螺儀(通常是由 三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)陀螺儀組成慣性測(cè)量單元)測(cè)量載體慣性空間的比力和角速度，對(duì)載 體的速度、三維位置與姿態(tài)信息計(jì)算。用加速度計(jì)來(lái)測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的加速度;模擬陀螺儀與 平臺(tái)構(gòu)造一個(gè)單行坐標(biāo)系，提供測(cè)量坐標(biāo)基準(zhǔn)，并得到載體姿態(tài)和方位信息；通過(guò)導(dǎo)航算 法，完成參數(shù)和指令值的運(yùn)算;對(duì)所需參數(shù)進(jìn)行分析，顯示出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)不向外輻射 能量，且不依賴外部的信息和硬件；隱蔽性好，抗干擾性強(qiáng)；導(dǎo)航數(shù)據(jù)具有連續(xù)、完整的特 點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域。慣性導(dǎo)航是一種航位推算導(dǎo)航系統(tǒng)，由于陀螺儀漂 移和加速度計(jì)誤差，此系統(tǒng)的誤差將隨時(shí)間增長(zhǎng)。
[0003] 20世紀(jì)初，科學(xué)家們不斷發(fā)現(xiàn)沙蟻、蝗蟲(chóng)、蜜蜂、蟋蟀等生物都具有感知偏振光進(jìn) 行導(dǎo)航的能力。有些生物，如非洲糞金龜，甚至可以在夜里利用月光進(jìn)行偏振光導(dǎo)航。不斷 發(fā)現(xiàn)的這些生物奧秘深深吸引了眾多的科學(xué)家對(duì)生物的偏振視覺(jué)進(jìn)行研究，從而不斷推動(dòng) 著人類的發(fā)展。
[0004] 依據(jù)仿生學(xué)原理，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了仿生偏振光導(dǎo)航傳感器模型，其中，比較 著名的是Dimitrios Lambrinos等人提出的仿沙蟻P0L-神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器模型， 國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者紛紛效仿，并做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證明，制作仿生偏振光導(dǎo)航傳感器 并利用偏振光進(jìn)行導(dǎo)航是可行的，可以應(yīng)用在輔助導(dǎo)航方面，具有巨大的研究前景。
[0005] 同時(shí)，仿沙蟻P0L-神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器模型也不可避免的有些缺點(diǎn)，主要 表現(xiàn)在：
[0006] 1)為了保證一定的光強(qiáng)，偏振光檢測(cè)鏡筒不能做的太小，不利于小型化;2)偏振光 導(dǎo)航傳感器模型中光電探測(cè)器接收到的不是純凈的平行光，經(jīng)過(guò)偏振片的偏振光的偏振度 會(huì)受到很大的影響;3)不能求出每個(gè)光電探測(cè)器的輸出量，計(jì)算方法較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種基于改進(jìn)仿沙蟻P0L神經(jīng)元的偏振光 導(dǎo)航傳感器及工作方法。本發(fā)明通過(guò)依次設(shè)置于入射光線主軸方向上的雙凸透鏡、光闌和 平凸透鏡，將入射光線發(fā)散為平行光，用于保證光電探測(cè)器接收到的光線為平行光，且光線 更純凈，達(dá)到提高傳感器的分辨率的目的。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0009] -種基于改進(jìn)仿沙蟻POL神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器，包括:至少兩個(gè)偏振光接收 通道，所述偏振光接收通道包括沿入射光線方向同光軸上依次設(shè)置的雙凸透鏡、光闌、平凸 透鏡、濾光片和偏振片;入射光線經(jīng)所述雙凸透鏡匯聚后，依次經(jīng)過(guò)光闌和平凸透鏡形成垂 直入射的光線，垂直入射的光線經(jīng)濾光片濾光后獲得單色偏振光，單色偏振光進(jìn)入偏振片 并分成兩路標(biāo)準(zhǔn)正交的光線，兩路標(biāo)準(zhǔn)正交的光線均傳送至光電轉(zhuǎn)換模塊來(lái)獲取偏振光電 信號(hào)。
[0010]所述濾光片為干涉濾光片。
[0011] 所述偏振片為偏振分光棱鏡。
[0012] 所述光闌為孔徑光闌。
[0013] 光電轉(zhuǎn)換模塊為光電探測(cè)器。
[0014] 沿所述偏振片分成的兩路標(biāo)準(zhǔn)正交的光線的主軸上還設(shè)有凸透鏡，兩路標(biāo)準(zhǔn)正交 的光線均經(jīng)凸透鏡匯聚后傳送至光電轉(zhuǎn)換模塊。
[0015] 所述凸透鏡為平凸透鏡。
[0016] 一種基于改進(jìn)仿沙蟻P0L神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器的工作方法，包括：
[0017] 步驟（1):入射光線傳送至雙凸透鏡進(jìn)行匯聚，匯聚后的光線依次經(jīng)過(guò)光闌和平凸 透鏡形成垂直入射的光線，垂直入射的光線經(jīng)濾光片濾光后獲得單色偏振光；
[0018] 步驟(2):單色偏振光進(jìn)入偏振片并分成兩路標(biāo)準(zhǔn)正交的光線，兩路標(biāo)準(zhǔn)正交的光 線均傳送至光電轉(zhuǎn)換模塊來(lái)獲取偏振光電信號(hào)。
[0019] 在所述步驟⑵中，偏振光電信號(hào)的表達(dá)式為:〇υ = ΚΜ?+ρ(^2(φ-Φυ))，其中， Du表示第i個(gè)偏振片的第j路光信號(hào)轉(zhuǎn)換的電信號(hào);Κ為增益倍數(shù)且為常數(shù)；表示第i個(gè)偏 振片透過(guò)的光強(qiáng)系數(shù)且為常數(shù);P為大氣偏振中的偏振度；Φ為大氣偏振中的偏振角；Φυ表 示第i個(gè)偏振片的第j路光信號(hào)的初始相位;i = 1，2; j = 1，2。
[0020] 預(yù)設(shè)任意兩個(gè)偏振片輸出的四路光信號(hào)的初始相位，對(duì)這四路光信號(hào)轉(zhuǎn)換的電信 號(hào)進(jìn)行處理，獲得大氣偏振中的偏振度和大氣偏振中的偏振方位角導(dǎo)航信息。
[0021] 本發(fā)明的有益效果為：
[0022] (1)本發(fā)明主要在偏振光的獲取方面做了改進(jìn)，光線首先通過(guò)雙凸透鏡匯聚于一 點(diǎn)，然后依次通過(guò)光闌和平凸透鏡發(fā)散為平行光，此三種器件的使用可以保證只接收平行 光，使光電探測(cè)器接收到的光線更純凈，提高了傳感器的分辨率；
[0023] (2)在平凸透鏡的下面為濾光片，其作用和仿沙蟻P0L-神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感 器模型中濾光片的作用一樣，平凸透鏡的下面為偏振片，其中，偏振片選用偏振分光棱鏡， 偏振分光棱鏡可把入射光分為正交的兩路光，這個(gè)偏振分光棱鏡就相當(dāng)于兩個(gè)理想狀況下 的偏振片，與仿沙蟻P0L-神經(jīng)元的偏振光模型相比，可以消除偏振片在安裝時(shí)產(chǎn)生的誤差； [0024] (3)本發(fā)明的改進(jìn)的仿沙蟻P0L神經(jīng)元的偏振光傳感器的信號(hào)處理模塊中采用雙 對(duì)數(shù)放大器，能夠采用簡(jiǎn)單的算法計(jì)算每一路的光電探測(cè)器的輸出電壓。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明的基于改進(jìn)仿沙蟻P0L神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器的實(shí)施例一結(jié)構(gòu) 圖；
[0026]圖2是本發(fā)明的基于改進(jìn)仿沙蟻P0L神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器的實(shí)施例二結(jié)構(gòu) 圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明的濾光片性能曲線圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明的基于改進(jìn)仿沙蟻P0L神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器的工作方法流程 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明的基于改進(jìn)仿沙蟻P0L神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器的其中一種 結(jié)構(gòu)：
[0031] 該偏振光導(dǎo)航傳感器包括:至少兩個(gè)偏振光接收通道，所述偏振光接收通道包括 沿入射光線方向同光軸上依次設(shè)置的雙凸透鏡、光闌、平凸透鏡、濾光片和偏振片;入射光 線經(jīng)所述雙凸透鏡匯聚后，依次經(jīng)過(guò)光闌和平凸透鏡形成垂直入射的光線，垂直入射的光 線經(jīng)濾光片濾光后獲得單色偏振光，單色偏振光進(jìn)入偏振片并分成兩路標(biāo)準(zhǔn)正交的光線， 兩路標(biāo)準(zhǔn)正交的光線均傳送至光電轉(zhuǎn)換模塊來(lái)獲取偏振光電信號(hào)。
[0032] 為了增強(qiáng)信號(hào)處理模塊接收到的光照強(qiáng)度以及進(jìn)一步減少獲取偏振導(dǎo)航信息的 誤差，本發(fā)明還給出基于改進(jìn)仿沙蟻P0L神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器的另一種結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。
[0033] 圖2中的偏振光導(dǎo)航傳感器包括:至少兩個(gè)偏振光接收通道，所述偏振光接收通道 包括沿入射光線方向同光軸上依次設(shè)置的雙凸透鏡、光闌、平凸透鏡、濾光片和偏振片;入 射光線經(jīng)所述雙凸透鏡匯聚后，依次經(jīng)過(guò)光闌和平凸透鏡形成垂直入射的光線，垂直入射 的光線經(jīng)濾光片濾光后獲得單色偏振光，單色偏振光進(jìn)入偏振片并分成兩路標(biāo)準(zhǔn)正交的光 線；
[0034]在偏振片的與信號(hào)處理模塊之間，偏振