一种传感器的机械结构及该传感器

摘要

本发明公开了一种新型传感器的机械结构及该传感器，可用于飞行器的姿态控制，广义上也可属于一种太阳传感器。具体地，是一种新型的成像式偏振光导航传感器，该传感器由滤光片、圆锥镜和CMOS传感器组成。其中的圆锥镜材料折射率及圆锥面与底面之间的夹角经过严格的结构设计和计算得到；并采用分辨率较高的CMOS传感器接收透过圆锥镜的偏振光。本发明结构简单、实时性好、测量精度高，在偏振光方位角测量和偏振光导航方面有很好的应用前景。

权利要求

1.一种圆锥镜，其特征在于，所述圆锥镜的材料折射率及圆锥面与底面之间的夹角满足一定关系，使得线偏振光沿圆锥镜轴线入射时，平行于线偏振光电场矢量方向的P光透射率(Tp(θi))与垂直于该方向的S光透射率(Ts(θi))相差最大；

所述圆锥镜的材料折射率及圆锥面与底面之间的夹角关系满足如下几何关系，具体地：S光和P光的反射系数rs(θi)、rp(θi)与入射角、介质折射率之间的关系满足：其中，空气折射率为n1，材料折射率为n2，入射角用θi表示；

P光和S光的能量反射率Rp(θi)、Rs(θi)为：

P光和S光的能量透射率Tp(θi)、Ts(θi)为：

2.如权利要求1所述的圆锥镜，其特征在于，所述圆锥面与底面之间的夹角为38.6度，圆锥镜的材料折射率为2.425。

3.如权利要求1所述的圆锥镜，其特征在于，线偏振光沿圆锥镜轴线入射时，平行于线偏振光电场矢量方向的光透射率与垂直于该方向的光透射率相差最大，最大值为0.58657。

4.一种偏振光方位角测量传感器，其特征在于，该传感器包括圆锥镜和图像传感器，所述圆锥镜为权利要求1-3任一项所述的圆锥镜；所述图像传感器具有高分辨率以获取较高的偏振光方位角测量精度。

5.如权利要求4所述的偏振光方位角测量传感器，其特征在于，所述图像传感器的分辨率满足以下条件，当线偏振光每旋转不超过0.05度时就能引起图像传感器的灰度值的变化。

6.如权利要求5所述的偏振光方位角测量传感器，其特征在于，所述图像传感器为12位CMOS传感器，线偏振光每旋转0.02度时就能引起图像传感器的灰度值的变化。

7.一种基于圆锥镜的偏振光导航传感器，其特征在于，该偏振光导航传感器包括滤光片、圆锥镜和图像传感器；所述圆锥镜为权利要求1-3任一项所述的圆锥镜；所述图像传感器的分辨率满足以下条件，当线偏振光每旋转不超过0.05度时就能引起图像传感器的灰度值的变化。

8.如权利要求7所述的一种基于圆锥镜的偏振光导航传感器，其特征在于，所述滤光片为蓝紫光波段的滤光片。

9.一种基于圆锥镜的偏振光导航传感器，其特征在于，该偏振光导航传感器包括滤光片和偏振光方位角测量传感器；所述偏振光方位角测量传感器为权利要求4-6任一项所述的偏振光方位角测量传感器。

10.如权利要求9所述的一种基于圆锥镜的偏振光导航传感器，其特征在于，所述滤光片为蓝紫光波段的滤光片。

说明书

一种传感器的机械结构及该传感器

技术领域

[0001] 本发明属于传感器结构设计领域，特别涉及一种基于圆锥镜的结构设计的偏振光方位角测量传感器。

背景技术

[0002] 当前导航系统可以分为以卫星导航为代表的非自主导航技术，以及惯性导航、地磁导航和天文导航等自主导航技术。卫星导航经过长时间的发展，技术比较成熟，应用也最为广泛，导航精度高，具有全球定位能力，但它易受干扰，容易失去信号。惯性导航自主能力强，精度高，但它的误差随时间积累，所以需要经常校准。地磁导航具有误差不随时间积累、隐蔽性强的优点，但它易受外界磁场干扰，精度有限。天文导航是借助天体作为导航基准，通过接受天体的福射信号获得导航信息，具有隐蔽性强、无累积误差、抗干扰能力强的优点，但它计算量大，造价昂贵。偏振光导航作为一种新型导航技术，具有无累积误差、自主性强、不易受外界干扰且系统简单等优点，不仅具有单独完成导航定位功能的潜能，还可以与其他导航传感器实现组合导航，保证导航的准确性。

[0003] 偏振光导航作为一种新型导航技术，因其具有无累积误差、自主性强、不易受外界干扰且系统简单等优点，受到越来越多学者的关注。

[0004] 偏振光导航方法的研究始于国外对沙蚁等生物的研究。国外的研究侧重于生物偏振行为的发现，机理的探索以及所对应的生物结构特征。针对沙蚁等生物的行为和生理学的研究，设计仿生偏振光导航传感器和导航平台，验证和实现沙蚁等生物导航行为的仿生过程。1986年，Labhart和Meyer在解剖实验中发现生物复眼DRA区域中小眼的小网膜细胞上微线毛相互垂直形成了偏振正交特性，产生了偏振对立单元，增强了对天空中偏振信息的感知能力；2010年，Javaan和Akiko仿照蜻蜓的复眼结构设计了位姿平衡传感器和偏振光导航传感器，并在飞行模型上对传感器的导航性能进行了静态和动态测试实验；2012年，Wolfgang研究组用相机代替分立的偏振光导航传感器，在飞行平台上测试了传感器的性能，完成对全天域大气偏振模式信息的获取过程。国内，偏振光导航研究主要集中在偏振光导航传感器的研制和大气偏振模式的建模与仿真等方面。其中，褚金奎课题组最早对天空大气偏振模式进行建模仿真和探测，并设计点源式偏振光传感器；2007年，卢红谦课题组将偏振光导航方法与惯导和天文导航相结合，构成组合导航系统，进行了仿真。综上所述，偏振光导航传感器主要分为成像式和点源式。其中，成像式传感器借助于广角镜头可对大视场的天空区域直接成像，但是为了测量偏振模式需要获得多幅不同偏振方向下的天空图像，这往往需要通过一个相机多次拍摄或者多个相机同时拍摄两种途径来实现，前一实现途径实时性不强，后一实现途径会导致系统结构复杂；点源式传感器是基于多路偏振光敏感元件和光电二极管集成，对天空中某一点偏振光进行探测，能够实现实时性，由于是多路传感器，导致传感器结构复杂，导航精度受到限制。

[0005] 现有技术中公开的专利号：(CN 103115623A)，以偏振光导航技术为核心的定位技术，无法实现实时定位，该技术方案需要测量不同时刻的偏振光角度传感器最大偏振方向，才能解算经纬度，同时暗含了一个要求，即前后两次测量载体位置不能变化。该技术不能实时给出位置信息，而且时间间隔过短时，给出的位置信息的可靠性和准确性会显著下降。方向传感器即电子罗盘在使用时需要结合地理位置来获得磁偏角数据信息，才能给出真北方向。

发明内容

[0006] 基于现有技术的特点及不足，特设计发明了本传感器，本传感器可以对天空中某一点成像，根据光强分布直接得到该点偏振光方位角，其结构简单，实时性好，测量精度高。

[0007] 本发明是一种新型的成像式偏振光导航传感器，该传感器由滤光片、圆锥镜和CMOS传感器组成。本发明的目的在于提供一种结构简单的圆锥镜，线偏振光沿圆锥镜轴线入射时，由于该光在不同径向方向的垂直分量和水平分量不同，导致不同径向方向的光透射率不同，在CMOS传感器形成规律性变化的灰度值图像，根据灰度值图像可以直接得到偏振光方位角，进而应用到偏振光导航领域。

[0008] 本发明采用的技术手段如下：

[0009] 首先，太阳光本身并不是偏振光，但当它穿过大气层，受到大气分子或气溶胶粒子等散射后，变成了偏振光。在晴朗无云的条件下，大气对太阳光的散射主要是瑞利散射，基于瑞利散射原理，粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一)，其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长四次方成反比，天空中蓝紫光波段的波长小，偏振度较大，因此选用蓝紫光波段的滤光片进行滤波；

[0010] 其次，本发明涉及的圆锥镜，其目的在于线偏振光沿圆锥镜轴线入射时，使得平行于线偏振光电场矢量方向的光透射率与垂直于该方向的光透射率相差最大。两个方向透射率差值与材料折射率、圆锥面与底面之间的夹角有关，经过严格的计算得到：圆锥镜的材料折射率为2.425，圆锥面与底面之间的夹角为38.6度时，两个方向透射率差值最大，最大值为0.58657；

[0011] 最后，为获取较高的偏振光导航精度，本发明采用分辨率较高的CMOS传感器。例如，采用12位的CMOS传感器，根据不同径向方向的透射率，可以得到不同径向方向的灰度值。通过计算得到:与线偏振光电矢量方向夹角为57.57度的径向方向，灰度值变化率最大，当线偏振光旋转0.02度左右时，就能引起该方向灰度值的变化。

[0012] 如上所述，本发明基于瑞利散射原理，天空中蓝紫光波段的偏振度较大，因此选用蓝紫光波段的滤光片进行滤波；提出的圆锥镜材料折射率及圆锥面与底面之间的夹角经过严格的计算得到；为获取较高的偏振光导航精度，本发明采用分辨率较高的CMOS传感器。本发明所设计的偏振光导航传感器与传统的偏振光导航传感器不同之处在于：天空中太阳光经过滤光片，得到偏振度较大的蓝紫光波段的光，该光通过圆锥镜时，不同径向方向的垂直分量和水平分量不同，导致不同径向方向的光透射率不同，进而在CMOS传感器形成规律性变化的灰度值图像，根据灰度值图像可以直接得到偏振光方位角。

[0013] 本发明具有以下优点：

[0014] 1、本发明结构简单，成本低，便于与其它系统的集成；

[0015] 2、本发明能够实时获取偏振光方位角；

[0016] 3、本发明测量精度高，能够很好地应用于偏振光导航领域；

[0017] 3、本发明布局科学合理，结构紧凑；

[0018] 4、本发明装配简单，便于平时的维护与更换；

[0019] 基于上述理由，本发明结构简单、实时性好、测量精度高，在偏振光方位角测量和偏振光导航领域有很好的应用前景。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。

[0021] 图1是本发明提供的基于圆锥镜的偏振光导航传感器结构示意图；

[0022] 图2是本发明提供的平行光分量(P光)和垂直光分量(S光)在介质表面的光路图；

[0023] 图3是本发明提供的光入射圆锥镜时的光路图；

[0024] 图4是本发明提供的平行于线偏振光电场矢量方向的光透射率与垂直于该方向的光透射率差值与材料折射率、圆锥面与底面之间的夹角关系图；

[0025] 图5是本发明提供的线偏振光通过圆锥镜，圆锥镜底面不同径向方向透射率变化图。

具体实施方式

[0026] 为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0027] 本领域技术人员可以理解，本申请中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同设备、模块或参数等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。

[0028] 图1示出了基于圆锥镜的偏振光导航传感器结构及其排列顺序，由滤光片(1)、圆锥镜(2)和CMOS传感器(3)组成。天空中蓝紫光波段的波长小，偏振度较大，因此选用蓝紫光波段的滤光片进行滤波。

[0029] 图2示出了平行光分量(P光,电矢量E方向平行于入射面)和垂直光分量(S光，电矢量E方向垂直于入射面)在介质表面的光路图，其中空气折射率为n1，材料折射率为n2，入射角、反射角、折射角分别用θi、θr、θt表示。在入射角变化的过程中，P光和S光反射系数变化情况不一致。通过麦克斯韦边界条件和物质方程可以推导出S光和P光的反射系数rs、rp与入射角、介质折射率之间的关系为：

[0030]

[0031]

[0032] 进而推导出P光和S光的能量反射率Rp、Rs表示为：

[0033]

[0034] P光和S光的能量透射率Tp、Ts表示为：

[0035]

[0036] 图3示出了光入射圆锥镜(2)时的光路图，当线偏振光平行圆锥镜(2)轴线入射时，圆锥镜(2)不同径向方向的P光和S光分量不同，导致不同径向方向的光透射率不同。线偏振光经过圆锥镜(2)圆锥面和底面两次折射，理论计算圆锥底面与线偏振光电场矢量方向一致的径向方向透射率和垂直于该方向的径向方向透射率相差最大，两个方向光透射率差值与材料折射率、圆锥面与底面之间的夹角关系由图4示出。当入射角为38.6度，材料折射率为2.425时，线偏振光方向一致的径向方向透射率和垂直于该方向的径向方向透射率相差最大，最大值为0.58657。

[0037] 图5示出了最佳设计下，线偏振光通过圆锥镜(2)，圆锥镜(2)底面不同径向方向透射率变化图。本发明采用分辨率较高的COMS传感器(3)，当采用12位的COMS传感器(3)时，不同径向方向的透射率乘以212，得到灰度值图像。通过计算，与线偏振光方向夹角为57.57度的径向方向，灰度值变化率最大，线偏振光每旋转0.02度左右就能引起灰度值的变化。由此表明，该传感器应用到偏振光导航领域，可以达到很高的导航精度。

[0038] 工作原理如下：

[0039] 基于天空区域大气偏振模式分布规律的航向角测角原理，偏振光传感器通过对天顶点偏振信息的检测，计算出传感器正方向与天顶点电场矢量方向之间的夹角，由天顶点处电场矢量方向与太阳子午线的垂直关系，可换算得到传感器正方向与太阳子午线之间的夹角。而任一时刻太阳子午线与地理正北的夹角可由时间、地理信息计算得到。经过这一系列的转换可以得到传感器正方向与地理正北的夹角，即航向角，再根据导航载体的运动速度及运行时间，由路径积分原理实现偏振光导航。

[0040] 本领域技术人员应当理解，所述的CMOS传感器也可以由具有相似或更高分辨率的图像传感器代替；蓝紫光波段的滤光片也可以用包含相应滤光功能的其他光学元件替代，滤光波段也可以是其他光波段。

[0041] 本发明可以应用于高精度的导航，可使飞行器或运动载体在特殊环境下利用地球自然特性进行导航和定位，对于飞行器导航定位，姿态控制和校准，高精度的无人驾驶汽车、航海等领域均可应用。

[0042] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

[0043] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。