偏振光導(dǎo)航傳感器.ppt

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1、偏振光導(dǎo)航傳感器引言隨著軍事國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的要求也不斷提高。偏振光導(dǎo)航因其無(wú)累積誤差、自主性強(qiáng)、不易受到外界干擾且系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而得到科學(xué)工作者們的青睞?？茖W(xué)工作者們對(duì)能夠利用天空中偏振光分布模式進(jìn)行導(dǎo)航的昆蟲(chóng)，如沙漠螞蟻、蜜蜂等進(jìn)行了研究，并模仿這類(lèi)昆蟲(chóng)的視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)搭建了偏振光導(dǎo)航傳感器，而微型化、集成化無(wú)疑會(huì)是未來(lái)傳感器發(fā)展的趨勢(shì)。MEMS技術(shù)的興起和發(fā)展，加速了傳感器的這種發(fā)展勢(shì)頭。偏振光導(dǎo)航不僅具有單獨(dú)完成導(dǎo)航定位功能的潛能，還可以與其它導(dǎo)航傳感器相互檢測(cè)、補(bǔ)充以保證導(dǎo)航數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。多種傳感器或多個(gè)相同傳感器的使用使得傳感器的小型化變得迫切。此外，汽

2、車(chē)市場(chǎng)、旅游市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展無(wú)疑擴(kuò)大了對(duì)導(dǎo)航定位傳感器的需求，從軍事走向民生，這也對(duì)導(dǎo)航定位傳感器的成本、集成度、便攜性、安裝簡(jiǎn)易程度有了更嚴(yán)苛的要求。1.偏振光導(dǎo)航傳感器的工作原理1.1基于瑞利散射理論的大氣天空偏振模型太陽(yáng)直接輻射的光是無(wú)偏振態(tài)的，這種無(wú)偏振態(tài)的太陽(yáng)光穿過(guò)大氣層時(shí)被大氣中的原子、分子、顆粒等影響發(fā)生散射，從而部分太陽(yáng)光的偏振狀態(tài)改變。自然環(huán)境中的偏振光主要有兩大來(lái)源：一是大氣和水圈內(nèi)的散射，其中，地球大氣內(nèi)的散射主要是Rayleigh散射和Mie散射；二是水面或者其它有光澤的非金屬電解質(zhì)(如油、巖石和植被)等的表面的反射。在晴朗天氣下對(duì)太陽(yáng)光的散射主要是Ray

3、leigh散射，這種散射光具有一定的偏振分布規(guī)律，根據(jù)這些規(guī)律建立的大氣天空偏振模型如圖所示。1.2沙漠螞蟻的導(dǎo)航原理一般來(lái)說(shuō)，昆蟲(chóng)的復(fù)眼分為三部分：背部邊緣區(qū)域(dorsalrimarea，DRA)、其余背部邊緣區(qū)域(DA)以及中央?yún)^(qū)域(VA)。而不同的昆蟲(chóng)的復(fù)眼又具有數(shù)量不等的小眼，每個(gè)小眼的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，其中位于背部邊緣區(qū)域的小眼特化，有利于偏振光的探測(cè)。圖1為沙漠螞蟻位于DRA區(qū)域的單個(gè)小眼橫切示意圖。其中，啞鈴型的陰影區(qū)域?yàn)楦袟U束，感光細(xì)胞R1和R5的微絨毛與其余的感光細(xì)胞的微絨毛方向正交。每個(gè)微絨毛相當(dāng)于一個(gè)單向感光器，其對(duì)特定方向的偏振光刺激的響應(yīng)為正弦曲線。圖1位于

4、背部邊緣區(qū)域(DRA)的小眼橫切示意圖沙漠螞蟻的視網(wǎng)膜上具有數(shù)百個(gè)面向不同方向的視神經(jīng)感桿，每一個(gè)感桿僅對(duì)與它同向的偏振光敏感。視神經(jīng)葉部分的中問(wèn)神經(jīng)元接受視網(wǎng)膜上偏振敏感方向互相垂直的視神經(jīng)感桿的輸入，其對(duì)視網(wǎng)膜的神經(jīng)輸入的響應(yīng)也是正弦曲線，在沙漠螞蟻?zhàn)陨眢w軸與太陽(yáng)子午線之間夾角呈10。、60。、130。時(shí)響應(yīng)達(dá)到最大，偏振視神經(jīng)中樞根據(jù)中間神經(jīng)元的不同響應(yīng)值計(jì)算、譯碼得出沙漠螞蟻?zhàn)陨眢w軸與太陽(yáng)子午線的夾角。綜上所述，沙漠螞蟻通過(guò)視網(wǎng)膜層感知偏振度和偏振方向的分布模式，通過(guò)神經(jīng)中樞層對(duì)其響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行綜合處理計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)偏振光導(dǎo)航。1.3偏振光導(dǎo)航傳感器理論模型此傳感器模仿沙漠

5、螞蟻的視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成，其主要包括偏振光檢測(cè)部分和電信號(hào)處理部分。其中，偏振光檢測(cè)部分包括一個(gè)集成光電探測(cè)器和三個(gè)對(duì)數(shù)放大器。集成光電探測(cè)器內(nèi)含有三個(gè)互成600的偏振檢測(cè)通道，每個(gè)通道由兩個(gè)偏振方向相互垂直的偏振光檢測(cè)單元組成。偏振光檢測(cè)部分將入射到金屬光柵上的光信號(hào)最終轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；而電信號(hào)處理部分主要由控制電路組成，其通過(guò)一定的算法對(duì)對(duì)數(shù)放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行處理從而得到偏振角度。通過(guò)以上算法可以求出天空偏振光的偏振角度，即傳感器體軸與偏振光的E矢量之間的夾角。由于偏振光E矢量與太陽(yáng)子午線互相垂直，并且在固定的時(shí)問(wèn)、地點(diǎn)下太陽(yáng)子午線與正南正北方向的夾角為太陽(yáng)方位角，

6、因此在偏振角度上加上90。和太陽(yáng)方位角便可得到傳感器體軸與正南正北方向的夾角，即可得到導(dǎo)航角度。2.偏振光導(dǎo)航傳感器硬件設(shè)計(jì)偏振光傳感器主要由偏振光檢測(cè)模塊、控制處理模塊和電源模塊組成，其中，偏振光檢測(cè)模塊由集成光電探測(cè)器和對(duì)數(shù)放大電路組成，實(shí)現(xiàn)偏振光檢測(cè)、光電轉(zhuǎn)和信號(hào)放大等功能：控制處理模塊包括JTAG接口部分、串口通信部分以及AD轉(zhuǎn)換部分，能夠?qū)崿F(xiàn)程序下載和調(diào)試、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)裙δ?；電源模塊則包含三個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路，為傳感器內(nèi)各種芯片提供供電電壓。本傳感器還可以外接GNSS模塊，來(lái)獲得傳感器所在位置的經(jīng)緯度信息。偏振光傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2傳感器結(jié)構(gòu)圖3.偏振光導(dǎo)航

7、傳感器程序設(shè)計(jì)偏振光導(dǎo)航傳感器的程序設(shè)計(jì)采用IAR公司的EmbeddedWorkbenchforMSP430(EW430)開(kāi)發(fā)軟件作為MSP430單片機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。IAREW430開(kāi)發(fā)軟件作為一種集成式開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供了工程管理、程序編輯、代碼下載、調(diào)試等功能，此外，還提供了一個(gè)針對(duì)430處理器的編譯器(ICC430編譯器)。MSP430單片機(jī)含有JTAG接口和FLASH型存儲(chǔ)器，F(xiàn)LASH型存儲(chǔ)器可以多次電擦寫(xiě)。MSP430支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言?xún)煞N開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在EW430下編寫(xiě)好程序后，編譯為