偏振導(dǎo)航傳感器設(shè)計(jì)和標(biāo)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(dǎo)航的研究成果，構(gòu)建了偏振導(dǎo)航傳感器的模型，分析了該模型測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了偏振導(dǎo)航傳感器，研制了偏振光軸標(biāo)定系統(tǒng)，提高了傳感器的測(cè)量精度，建立了傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)，傳感器的測(cè)量誤差優(yōu)于0．18°，研究成果對(duì)偏振導(dǎo)航傳感器的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：仿生;偏振;導(dǎo)航;傳感器

偏振光導(dǎo)航技術(shù)源于沙蟻等昆蟲的偏振視覺導(dǎo)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(jìn)行導(dǎo)航的。偏振導(dǎo)航傳感器具有體積小、重量輕及成本低等優(yōu)勢(shì)，作為新型的慣性輔助測(cè)量裝置，有利于提高慣性系統(tǒng)的測(cè)量精度，同時(shí)又不會(huì)增加體積、重量上的負(fù)擔(dān)，具有廣闊的應(yīng)用前景。依據(jù)沙蟻偏振光導(dǎo)航定位原理，建立仿沙蟻復(fù)眼結(jié)構(gòu)的偏振光測(cè)角模型，以此為基礎(chǔ)研制了偏振導(dǎo)航傳感器，通過光軸標(biāo)定系統(tǒng)準(zhǔn)確確定偏振片之間的相對(duì)位置，提高了傳感器的精度。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)試，偏振導(dǎo)航傳感器測(cè)角精度優(yōu)于0．18°。

1傳感器設(shè)計(jì)原理

沙蟻能利用天空中的偏振光進(jìn)行導(dǎo)航定位是因?yàn)樗囊曈X系統(tǒng)能夠敏感偏振方向，這個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)分為視網(wǎng)膜層和神經(jīng)中樞層，前者對(duì)偏振光的強(qiáng)度和方向分布模式進(jìn)行感知，后者對(duì)其信息進(jìn)行綜合處理。沙蟻的視網(wǎng)膜由數(shù)百個(gè)面向不同方向的視神經(jīng)感桿組成，每個(gè)感桿由8個(gè)互相交叉垂直的單向感光器組成，這一結(jié)構(gòu)使每個(gè)感桿對(duì)特定方向偏振光的刺激響應(yīng)為正弦曲線，是一個(gè)嚴(yán)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(shí)達(dá)到最大響應(yīng)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(yīng)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(jì)算和譯碼得出沙蟻體軸與太陽子午線的夾角，實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)航功能。

該傳感器由3個(gè)通道組成，每個(gè)通道中180°方向上的2個(gè)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?yàn)?0°和120°，這樣就構(gòu)成了3個(gè)偏振方向分析儀(0°，60°和120°)。通過解算3個(gè)偏振方向分析儀獲取的信息，得到偏振方位角，為導(dǎo)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(lán)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(hào)，每個(gè)通道中的2路電流信號(hào)送入對(duì)數(shù)放大器LOG101的2個(gè)輸入端，完成對(duì)數(shù)運(yùn)算后變成電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片，送入CPU進(jìn)行偏振方位角的解算。每個(gè)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(qiáng);K是放大倍數(shù);d是偏振光的偏振度;Ф是相對(duì)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(duì)數(shù)放大器后，3個(gè)通道的輸出為：上述3個(gè)方程中含有2個(gè)未知數(shù)，選擇其中任意2個(gè)均能解算出偏振方位角。

2偏振光軸標(biāo)定系統(tǒng)

在偏振導(dǎo)航傳感器的設(shè)計(jì)中，光學(xué)系統(tǒng)是其中的重要組成部分，3個(gè)通道共需6個(gè)偏振片，它們的光軸之間有嚴(yán)格的位置要求，是影響傳感器測(cè)量精度的一個(gè)重要因素，為了保證這6個(gè)偏振片之間的位置精度，設(shè)計(jì)了一套偏振光軸標(biāo)定系統(tǒng)。偏振光軸標(biāo)定系統(tǒng)依據(jù)馬呂斯定率I=I0cos2θ設(shè)計(jì)，其中I0為入射偏振光的強(qiáng)度，I為透過檢偏器的透射光強(qiáng)，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(biāo)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(cè)偏振片放置在精密旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，偏振片做為檢偏器使用;3)功率監(jiān)測(cè)部分，在調(diào)節(jié)偏振片光軸方向時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)構(gòu)是偏振光軸標(biāo)定系統(tǒng)的2個(gè)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(gè)高精度起偏器，用以產(chǎn)生高精度的偏振光，作為標(biāo)定基準(zhǔn)。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(dāng)于偏振光方向誤差2．56°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)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(dāng)于偏振光方向誤差0．13°，滿足設(shè)計(jì)要求。精密旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由分度盤和游標(biāo)盤組成，機(jī)械精度主要取決于刻度－游標(biāo)系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)加工精度為5μ，游標(biāo)刻線精度為1'，保證了系統(tǒng)測(cè)量精度要求。利用偏振光軸標(biāo)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(cè)試

為了測(cè)試傳感器的性能，研制了偏振導(dǎo)航傳感器測(cè)試系統(tǒng)，如圖4所示。主要由電源、鹵鎢燈、光學(xué)積分球、高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)和偏振片組成。電源驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(gè)高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上方固定1個(gè)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(tái)可以帶動(dòng)偏振片精密轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)內(nèi)部鹵鎢燈和1個(gè)外部鹵鎢燈，每個(gè)可單獨(dú)點(diǎn)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(tái)的分辨率為15''，重復(fù)定位精度為1'。

此外，為方便控制積分球與被測(cè)傳感器之間的相對(duì)位置關(guān)系，支架可以做上下、左右和前后三維運(yùn)動(dòng)。將傳感器置于積分球出口處的正下方，當(dāng)入射到傳感器的偏振光偏振方向發(fā)生變化時(shí)，傳感器測(cè)量的偏振方位角也相應(yīng)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(cè)試方法。通過控制高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)，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(gè)測(cè)試點(diǎn)記錄傳感器的測(cè)量結(jié)果，理論上相鄰2個(gè)測(cè)量值之差為1°，因此通過比較相鄰2個(gè)測(cè)量值與1°的偏差，評(píng)價(jià)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(shí)，傳感器測(cè)量誤差優(yōu)于0．18°。

4結(jié)束語

依據(jù)仿生原理設(shè)計(jì)了偏振導(dǎo)航傳感器，為了保證偏振片的位置精度，研制了偏振光軸標(biāo)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(dǎo)航傳感器測(cè)試系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)對(duì)傳感器的性能進(jìn)行了綜合測(cè)試，傳感器測(cè)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(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2.北京航天自動(dòng)控制研究所