偏振導航傳感器設(shè)計和標定范文

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《航天控制》2016年第5期

摘要：借鑒了生物偏振導航的研究成果，構(gòu)建了偏振導航傳感器的模型，分析了該模型測量原理，設(shè)計了偏振導航傳感器，研制了偏振光軸標定系統(tǒng)，提高了傳感器的測量精度，建立了傳感器性能測試系統(tǒng)，傳感器的測量誤差優(yōu)于0．18°，研究成果對偏振導航傳感器的應用具有指導意義。

關(guān)鍵詞：仿生;偏振;導航;傳感器

偏振光導航技術(shù)源于沙蟻等昆蟲的偏振視覺導航原理。太陽光經(jīng)過大氣發(fā)生散射現(xiàn)象，散射輻射具有偏振特性，偏振光攜帶方向信息，沙蟻等昆蟲正是利用天空偏振光提供的方向信息進行導航的。偏振導航傳感器具有體積小、重量輕及成本低等優(yōu)勢，作為新型的慣性輔助測量裝置，有利于提高慣性系統(tǒng)的測量精度，同時又不會增加體積、重量上的負擔，具有廣闊的應用前景。依據(jù)沙蟻偏振光導航定位原理，建立仿沙蟻復眼結(jié)構(gòu)的偏振光測角模型，以此為基礎(chǔ)研制了偏振導航傳感器，通過光軸標定系統(tǒng)準確確定偏振片之間的相對位置，提高了傳感器的精度。在標準測試條件下測試，偏振導航傳感器測角精度優(yōu)于0．18°。

1傳感器設(shè)計原理

沙蟻能利用天空中的偏振光進行導航定位是因為它的視覺系統(tǒng)能夠敏感偏振方向，這個神經(jīng)系統(tǒng)分為視網(wǎng)膜層和神經(jīng)中樞層，前者對偏振光的強度和方向分布模式進行感知，后者對其信息進行綜合處理。沙蟻的視網(wǎng)膜由數(shù)百個面向不同方向的視神經(jīng)感桿組成，每個感桿由8個互相交叉垂直的單向感光器組成，這一結(jié)構(gòu)使每個感桿對特定方向偏振光的刺激響應為正弦曲線，是一個嚴格的方向分析器，在沙蟻體軸與太陽子午線的夾角為0°、60°和120°時達到最大響應值。視神經(jīng)葉部分的中間神經(jīng)元分為3種類型，接受視網(wǎng)膜上最大敏感方向互相垂直的視神經(jīng)感桿輸入，中間神經(jīng)元的響應結(jié)果作為輸入?yún)R合到沙蟻腦部的羅盤神經(jīng)元，經(jīng)過計算和譯碼得出沙蟻體軸與太陽子午線的夾角，實現(xiàn)其導航功能。

該傳感器由3個通道組成，每個通道中180°方向上的2個偏振單元光軸垂直。其中，Ⅰ通道偏振光軸為0°方向，Ⅱ，Ⅲ通道偏振光軸方向為60°和120°，這樣就構(gòu)成了3個偏振方向分析儀(0°，60°和120°)。通過解算3個偏振方向分析儀獲取的信息，得到偏振方位角，為導航系統(tǒng)提供角度信息。單通道系統(tǒng)組成如圖2所示，天空中的偏振光經(jīng)濾光后得到藍光，偏振片作為檢偏器使用，透過偏振片的光經(jīng)過光電二極管S1087轉(zhuǎn)化為電流信號，每個通道中的2路電流信號送入對數(shù)放大器LOG101的2個輸入端，完成對數(shù)運算后變成電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片，送入CPU進行偏振方位角的解算。每個通道中偏振單元的輸出可描述為S(Φ)=KI［1+dcos(2Φ－2Φmax)］式中，I是光強;K是放大倍數(shù);d是偏振光的偏振度;Ф是相對于太陽子午線目前的朝向，即偏振方位角;Фmax是使S(Ф)取得最大值的方向。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及對數(shù)放大器后，3個通道的輸出為：上述3個方程中含有2個未知數(shù)，選擇其中任意2個均能解算出偏振方位角。

2偏振光軸標定系統(tǒng)

在偏振導航傳感器的設(shè)計中，光學系統(tǒng)是其中的重要組成部分，3個通道共需6個偏振片，它們的光軸之間有嚴格的位置要求，是影響傳感器測量精度的一個重要因素，為了保證這6個偏振片之間的位置精度，設(shè)計了一套偏振光軸標定系統(tǒng)。偏振光軸標定系統(tǒng)依據(jù)馬呂斯定率I=I0cos2θ設(shè)計，其中I0為入射偏振光的強度，I為透過檢偏器的透射光強，θ為入射偏振光偏振方向與檢偏器偏振方向之間的夾角。偏振光軸標定系統(tǒng)由3部分組成:1)激光器發(fā)出的光經(jīng)起偏器起偏后產(chǎn)生高精度偏振光;2)偏振光軸調(diào)節(jié)部分，將被測偏振片放置在精密旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，偏振片做為檢偏器使用;3)功率監(jiān)測部分，在調(diào)節(jié)偏振片光軸方向時監(jiān)測輸出的光功率，從而找到偏振片光軸的最佳位置。

起偏器和精密旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是偏振光軸標定系統(tǒng)的2個重要組成部分。為了提高偏振片光軸間的位置精度，必須有1個高精度起偏器，用以產(chǎn)生高精度的偏振光，作為標定基準。如果選用一般的薄膜偏振片作為起偏器，其消光比為1∶500，相當于偏振光方向誤差2．56°，遠遠達不到設(shè)計要求，采用目前國內(nèi)最好的α－BBO晶體作為起偏器，它的消光比為5×10－6，相當于偏振光方向誤差0．13°，滿足設(shè)計要求。精密旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要由分度盤和游標盤組成，機械精度主要取決于刻度－游標系統(tǒng)，機械系統(tǒng)加工精度為5μ，游標刻線精度為1'，保證了系統(tǒng)測量精度要求。利用偏振光軸標定系統(tǒng)，提高了傳感器各偏振片光軸之間的位置精度，偏振光軸的位置精度優(yōu)于0．16°。

3傳感器性能測試

為了測試傳感器的性能，研制了偏振導航傳感器測試系統(tǒng)，如圖4所示。主要由電源、鹵鎢燈、光學積分球、高精度旋轉(zhuǎn)臺和偏振片組成。電源驅(qū)動鹵鎢燈產(chǎn)生的光線在積分球內(nèi)部被均勻地反射及漫射，在球面上形成均勻的光強分布，得到非常均勻的漫射光。在積分球出口的正前方放置1個高精度旋轉(zhuǎn)平臺，旋轉(zhuǎn)平臺上方固定1個線性偏振片，將均勻的漫射光變成高精度線偏振光，由于高精度旋轉(zhuǎn)臺可以帶動偏振片精密轉(zhuǎn)動，因此可以按照使用要求改變偏振光的偏振方向。積分球配有3個內(nèi)部鹵鎢燈和1個外部鹵鎢燈，每個可單獨點亮，光亮度從0～18000cd/m2連續(xù)可調(diào)，光功率穩(wěn)定性優(yōu)于99%;偏振片的消光比為1:10000;高精度旋轉(zhuǎn)臺的分辨率為15''，重復定位精度為1'。

此外，為方便控制積分球與被測傳感器之間的相對位置關(guān)系，支架可以做上下、左右和前后三維運動。將傳感器置于積分球出口處的正下方，當入射到傳感器的偏振光偏振方向發(fā)生變化時，傳感器測量的偏振方位角也相應的發(fā)生變化，以此模擬太陽光發(fā)出的偏振光偏振方向變化情況。依據(jù)這一原理，制定了測試方法。通過控制高精度旋轉(zhuǎn)臺，在0°～180°范圍內(nèi)以1°間隔改變光源輸出偏振光的偏振方向，在每一個測試點記錄傳感器的測量結(jié)果，理論上相鄰2個測量值之差為1°，因此通過比較相鄰2個測量值與1°的偏差，評價該傳感器的性能。從圖中可以看出偏振光偏振方向在0°～180°范圍內(nèi)變化時，傳感器測量誤差優(yōu)于0．18°。

4結(jié)束語

依據(jù)仿生原理設(shè)計了偏振導航傳感器，為了保證偏振片的位置精度，研制了偏振光軸標定系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)顯著提高了偏振光軸間的位置精度，偏振光軸的位置精度優(yōu)于0．16°。構(gòu)建了偏振導航傳感器測試系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)對傳感器的性能進行了綜合測試，傳感器測量誤差優(yōu)于0．18°。

作者：江云秋1，2宋一鉑1，2 單位：1.宇航智能控制技術(shù)國家級重點實驗室,2.北京航天自動控制研究所