基于改进仿沙蚁pol神经元的偏振光导航传感器及工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于导航传感器领域，尤其涉及一种基于改进仿沙蚁P0L神经元的偏振光 导航传感器及工作方法。
【背景技术】
[0002] 导航主要包括卫星导航系统(GNSS)、惯性导航系统（INS)、天文导航系统(CNS)、数 据库或景象参考导航系统以及无线电导航系统等。惯性导航系统（Inenial Navigation)， 应用牛顿力学定律，是一个积分求解的定位系统。它主要由加速度计、导航计算机、陀螺仪 以及惯导平台、导航与补偿算法等组成。由安装于载体内部的加速度计和陀螺仪(通常是由 三个加速度计和三个陀螺仪组成惯性测量单元)测量载体惯性空间的比力和角速度，对载 体的速度、三维位置与姿态信息计算。用加速度计来测量载体运动的加速度;模拟陀螺仪与 平台构造一个单行坐标系，提供测量坐标基准，并得到载体姿态和方位信息；通过导航算 法，完成参数和指令值的运算;对所需参数进行分析，显示出导航数据。该系统不向外辐射 能量，且不依赖外部的信息和硬件；隐蔽性好，抗干扰性强；导航数据具有连续、完整的特 点，广泛应用于航空、航天、航海等领域。惯性导航是一种航位推算导航系统，由于陀螺仪漂 移和加速度计误差，此系统的误差将随时间增长。
[0003] 20世纪初，科学家们不断发现沙蚁、蝗虫、蜜蜂、蟋蟀等生物都具有感知偏振光进 行导航的能力。有些生物，如非洲粪金龟，甚至可以在夜里利用月光进行偏振光导航。不断 发现的这些生物奥秘深深吸引了众多的科学家对生物的偏振视觉进行研究，从而不断推动 着人类的发展。
[0004] 依据仿生学原理，国内外许多学者提出了仿生偏振光导航传感器模型，其中，比较 著名的是Dimitrios Lambrinos等人提出的仿沙蚁P0L-神经元的偏振光导航传感器模型， 国内外专家学者纷纷效仿，并做了大量的实验研究，结果证明，制作仿生偏振光导航传感器 并利用偏振光进行导航是可行的，可以应用在辅助导航方面，具有巨大的研究前景。
[0005] 同时，仿沙蚁P0L-神经元的偏振光导航传感器模型也不可避免的有些缺点，主要 表现在：
[0006] 1)为了保证一定的光强，偏振光检测镜筒不能做的太小，不利于小型化;2)偏振光 导航传感器模型中光电探测器接收到的不是纯净的平行光，经过偏振片的偏振光的偏振度 会受到很大的影响;3)不能求出每个光电探测器的输出量，计算方法较为复杂。
【发明内容】
[0007] 为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种基于改进仿沙蚁P0L神经元的偏振光 导航传感器及工作方法。本发明通过依次设置于入射光线主轴方向上的双凸透镜、光阑和 平凸透镜，将入射光线发散为平行光，用于保证光电探测器接收到的光线为平行光，且光线 更纯净，达到提高传感器的分辨率的目的。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] -种基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器，包括:至少两个偏振光接收 通道，所述偏振光接收通道包括沿入射光线方向同光轴上依次设置的双凸透镜、光阑、平凸 透镜、滤光片和偏振片;入射光线经所述双凸透镜汇聚后，依次经过光阑和平凸透镜形成垂 直入射的光线，垂直入射的光线经滤光片滤光后获得单色偏振光，单色偏振光进入偏振片 并分成两路标准正交的光线，两路标准正交的光线均传送至光电转换模块来获取偏振光电 信号。
[0010]所述滤光片为干涉滤光片。
[0011] 所述偏振片为偏振分光棱镜。
[0012] 所述光阑为孔径光阑。
[0013] 光电转换模块为光电探测器。
[0014] 沿所述偏振片分成的两路标准正交的光线的主轴上还设有凸透镜，两路标准正交 的光线均经凸透镜汇聚后传送至光电转换模块。
[0015] 所述凸透镜为平凸透镜。
[0016] 一种基于改进仿沙蚁P0L神经元的偏振光导航传感器的工作方法，包括：
[0017] 步骤（1):入射光线传送至双凸透镜进行汇聚，汇聚后的光线依次经过光阑和平凸 透镜形成垂直入射的光线，垂直入射的光线经滤光片滤光后获得单色偏振光；
[0018] 步骤(2):单色偏振光进入偏振片并分成两路标准正交的光线，两路标准正交的光 线均传送至光电转换模块来获取偏振光电信号。
[0019] 在所述步骤⑵中，偏振光电信号的表达式为:〇υ = ΚΜ?+ρ(^2(φ-Φυ))，其中， Du表示第i个偏振片的第j路光信号转换的电信号;Κ为增益倍数且为常数；表示第i个偏 振片透过的光强系数且为常数;P为大气偏振中的偏振度；Φ为大气偏振中的偏振角；Φυ表 示第i个偏振片的第j路光信号的初始相位;i = 1，2; j = 1，2。
[0020] 预设任意两个偏振片输出的四路光信号的初始相位，对这四路光信号转换的电信 号进行处理，获得大气偏振中的偏振度和大气偏振中的偏振方位角导航信息。
[0021] 本发明的有益效果为：
[0022] (1)本发明主要在偏振光的获取方面做了改进，光线首先通过双凸透镜汇聚于一 点，然后依次通过光阑和平凸透镜发散为平行光，此三种器件的使用可以保证只接收平行 光，使光电探测器接收到的光线更纯净，提高了传感器的分辨率；
[0023] (2)在平凸透镜的下面为滤光片，其作用和仿沙蚁P0L-神经元的偏振光导航传感 器模型中滤光片的作用一样，平凸透镜的下面为偏振片，其中，偏振片选用偏振分光棱镜， 偏振分光棱镜可把入射光分为正交的两路光，这个偏振分光棱镜就相当于两个理想状况下 的偏振片，与仿沙蚁P0L-神经元的偏振光模型相比，可以消除偏振片在安装时产生的误差； [0024] (3)本发明的改进的仿沙蚁P0L神经元的偏振光传感器的信号处理模块中采用双 对数放大器，能够采用简单的算法计算每一路的光电探测器的输出电压。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的基于改进仿沙蚁P0L神经元的偏振光导航传感器的实施例一结构 图；
[0026]图2是本发明的基于改进仿沙蚁P0L神经元的偏振光导航传感器的实施例二结构 图；
[0027] 图3是本发明的滤光片性能曲线图；
[0028] 图4是本发明的基于改进仿沙蚁P0L神经元的偏振光导航传感器的工作方法流程 图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
[0030] 如图1所示，本发明的基于改进仿沙蚁P0L神经元的偏振光导航传感器的其中一种 结构：
[0031] 该偏振光导航传感器包括:至少两个偏振光接收通道，所述偏振光接收通道包括 沿入射光线方向同光轴上依次设置的双凸透镜、光阑、平凸透镜、滤光片和偏振片;入射光 线经所述双凸透镜汇聚后，依次经过光阑和平凸透镜形成垂直入射的光线，垂直入射的光 线经滤光片滤光后获得单色偏振光，单色偏振光进入偏振片并分成两路标准正交的光线， 两路标准正交的光线均传送至光电转换模块来获取偏振光电信号。
[0032] 为了增强信号处理模块接收到的光照强度以及进一步减少获取偏振导航信息的 误差，本发明还给出基于改进仿沙蚁P0L神经元的偏振光导航传感器的另一种结构，如图2 所示。
[0033] 图2中的偏振光导航传感器包括:至少两个偏振光接收通道，所述偏振光接收通道 包括沿入射光线方向同光轴上依次设置的双凸透镜、光阑、平凸透镜、滤光片和偏振片;入 射光线经所述双凸透镜汇聚后，依次经过光阑和平凸透镜形成垂直入射的光线，垂直入射 的光线经滤光片滤光后获得单色偏振光，单色偏振光进入偏振片并分成两路标准正交的光 线；
[0034]在偏振片的与信号处理模块之间，偏振