專利名稱：四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣偏振檢測(cè)，尤其涉及一種四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng) 和檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)光本身是自然光，不具有偏振性。當(dāng)它進(jìn)入地球大氣層時(shí)，它受到N2、O2等 大氣分子、霧滴、水、冰晶等顆粒的散射，變成只在某一個(gè)方向上振動(dòng)或在某一方向上振動(dòng) 占優(yōu)勢(shì)的偏振光。該偏振光的振動(dòng)方向即大氣偏振的主方向跟太陽(yáng)的位置有關(guān)，該偏振 光的振動(dòng)方向垂直于太陽(yáng)、觀察者和觀察點(diǎn)所組成的平面，并隨著太陽(yáng)的移動(dòng)而發(fā)生相應(yīng) 的變化。大氣偏振圖景是天空中偏振的優(yōu)勢(shì)振動(dòng)方向，其特征參量是所述的大氣偏振的 主方向。參見(jiàn)在先技術(shù)(Dimitrios Lambrinos, Ralf Moller and Thomas Labhart, "A mobile robot employing insect strategies for navigation，，,Robotics andAutonomous Systems, Vol. 30，39-64，2000)。通過(guò)高精度測(cè)量偏振優(yōu)勢(shì)方向獲得大氣偏振圖景，就能得到太陽(yáng)在天球坐標(biāo)系中 的準(zhǔn)確位置，即使在陰天或者太陽(yáng)在地平線以下。反之，根據(jù)太陽(yáng)的位置，人們就可以確定 整個(gè)天空的偏振圖景。高精度的大氣偏振圖景檢測(cè)技術(shù)對(duì)于偏振導(dǎo)航定位、大氣環(huán)境檢測(cè) 等領(lǐng)域的研究具有重要意義，2000年，瑞士 Dimitrios Lambrinos等人提出了基于六通道的大氣偏振圖景 ^IlJii^,(Dimitrios Lambrinos, Ralf Moller and Thomas Labhart, "A mobilerobot employing insect strategies for navigation，，，Robotics and AutonomousSystems，Vol. 30，39-64，2000)。該在先技術(shù)，采用了六個(gè)探測(cè)通道，通道之間的 信號(hào)增益差異大，并且通道需要旋轉(zhuǎn)以尋找極值點(diǎn)。這導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量速度慢，偏 振圖景測(cè)量精度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏 振圖景檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)方法，該系統(tǒng)不但能使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，而且可以減少通道增益差 異帶來(lái)的誤差影響，從而提高大氣偏振圖景檢測(cè)精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括在同一平面內(nèi)設(shè)置的結(jié)構(gòu)相同的第一偏振光鏡筒、第二偏振光鏡筒、第三偏振光 鏡筒和第四偏振光鏡筒，所述的第一偏振光鏡筒由在第一偏振光鏡筒的沿光束前進(jìn)方向依 次設(shè)置的第一濾光片、第一檢偏器、第一聚焦透鏡和第一光電探測(cè)器構(gòu)成；所述的第二偏振 光鏡筒由在第二偏振光鏡筒的沿光束前進(jìn)方向順序放置第二濾光片、第二檢偏器、第二聚 焦透鏡和第二光電探測(cè)器構(gòu)成；所述的第三偏振光鏡筒由在第三偏振光鏡筒(3)的沿光束 前進(jìn)方向順序放置第三濾光片、第三檢偏器、第三聚焦透鏡和第三光電探測(cè)器構(gòu)成；所述的第四偏振光鏡筒由在第四偏振光鏡筒的沿光束前進(jìn)方向順序放置第四濾光片、第四檢偏 器、第四聚焦透鏡和第四光電探測(cè)器構(gòu)成；所述的第一檢偏器與第二檢偏器的偏振主軸方向相互正交；所述的第三檢偏器與 第四檢偏器的偏振主軸方向相互正交；所述的第一檢偏器與第三檢偏器偏振主軸之間的夾 角為45° ；所述的第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器和第四光電探測(cè)器的 輸出端與綜合時(shí)分復(fù)用控制器的輸入端相連；該綜合時(shí)分復(fù)用控制器由依次連接的時(shí)分復(fù)用控制器、對(duì)數(shù)放大器和可變?cè)鲆婵?制器構(gòu)成，該綜合時(shí)分復(fù)用控制器的輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)連接。所述的第一濾光片、第二濾光片、第三濾光片和第四濾光片為干涉濾光片。所述的第一檢偏器、第二檢偏器、第三檢偏器和第四檢偏器為偏振分光棱鏡，或偏 振片。所述的第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器和第四光電探測(cè)器為 光電二級(jí)管、光電倍增管、光電池或CCD探測(cè)器。利用上述的四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行大氣偏振圖景檢測(cè)的方 法，其特征在于該方法包括如下步驟①將所述的四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)的四個(gè)偏振光鏡筒垂直地設(shè) 置在同一個(gè)水平面內(nèi)，設(shè)定所述的第一偏振光鏡筒的第一檢偏器的偏振主軸方向，相應(yīng)調(diào) 整所述的第二檢偏器、第三檢偏器和第四檢偏器的偏振主軸方向，相對(duì)于所述的第一檢偏 器的偏振主軸方向的夾角依次為η/2、π/4、3 π/4，大氣偏振光入射到四個(gè)偏振光鏡筒檢 測(cè)通道的探測(cè)器上，所述的第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器和第四光電 探測(cè)器依次接收并分別輸出光強(qiáng)信號(hào) 其中I = Imax+Imin，Ifflax和Imin分別是旋轉(zhuǎn)第一檢偏器所得到的光強(qiáng)信號(hào)的最大值 與最小值，d是偏振度，Φ是大氣偏振的主方向與第一偏振光鏡筒的檢偏器的偏振主軸方 向之間的夾角，K是比例常數(shù)；②第一偏振光鏡筒與第二偏振光鏡筒輸出的光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)時(shí)分復(fù)用控制器、對(duì)數(shù) 放大器和增益控制器后，得到第一單元信號(hào)巧
第三偏振光鏡筒與第四 偏振光鏡筒輸出的光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)時(shí)分復(fù)用控制器、對(duì)數(shù)放大器和增益控制器后得到第二單 元信號(hào)巧 ③所述的第一單元信號(hào)
和第二單元信號(hào)
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算得到大氣偏振的主方向與第一偏振光鏡筒的檢偏器的偏振主軸方向之間的夾角φ，即大 氣偏振圖景 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是與在先技術(shù)相比，本發(fā)明減少了兩路檢測(cè)通道，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和可靠性。本發(fā)明采用綜合時(shí)分復(fù)用控制器，對(duì)四個(gè)檢測(cè)通道進(jìn)行同一處理，不僅可以在信 號(hào)過(guò)小時(shí)降低噪聲影響，在信號(hào)過(guò)強(qiáng)時(shí)避免探測(cè)信號(hào)飽和，大大降低了大氣光信號(hào)強(qiáng)度變 化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；而且可以減少通道間增益差異誤差和對(duì)數(shù)放大器差異誤差，保證多 路信號(hào)的穩(wěn)定性和一致性。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益噪聲少，信號(hào)穩(wěn)定性和一致性好，偏振圖景檢測(cè)精度高 的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振檢測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。請(qǐng)參閱圖1。圖1為本發(fā)明四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振檢測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。由 圖1可見(jiàn)，本發(fā)明四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)，包括在同一平面內(nèi)垂直設(shè)置的 結(jié)構(gòu)相同的第一偏振光鏡筒1、第二偏振光鏡筒2、第三偏振光鏡筒3和第四偏振光鏡筒4， 所述的第一偏振光鏡筒1由在第一偏振光鏡筒1的沿光束前進(jìn)方向依次設(shè)置的第一濾光片 101、第一檢偏器102、第一聚焦透鏡103和第一光電探測(cè)器104構(gòu)成；所述的第二偏振光鏡 筒2由在第二偏振光鏡筒2的沿光束前進(jìn)方向順序放置第二濾光片201、第二檢偏器202、 第二聚焦透鏡203和第二光電探測(cè)器204構(gòu)成；所述的第三偏振光鏡筒3由在第三偏振光 鏡筒3內(nèi)的沿光束前進(jìn)方向順序放置第三濾光片301、第三檢偏器302、第三聚焦透鏡303 和第三光電探測(cè)器304構(gòu)成；所述的第四偏振光鏡筒4由在第四偏振光鏡筒4的沿光束前 進(jìn)方向順序放置第四濾光片401、第四檢偏器402、第四聚焦透鏡403和第四光電探測(cè)器404 構(gòu)成；所述的第一檢偏器101與第二檢偏器201的偏振主軸方向相互正交；所述的第三 檢偏器301與第四檢偏器401的偏振主軸方向相互正交；所述的第一檢偏器101與第三檢 偏器301偏振主軸之間有夾角為45° ；所述的第一光電探測(cè)器104、第二光電探測(cè)器204、第三光電探測(cè)器304和第四光 電探測(cè)器404的輸出端與綜合時(shí)分復(fù)用控制器5的輸入端相連；該綜合時(shí)分復(fù)用控制器(5)由依次連接的時(shí)分復(fù)用控制器501、對(duì)數(shù)放大器502和 可變?cè)鲆婵刂破?03構(gòu)成，該綜合時(shí)分復(fù)用控制器5的輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡6和計(jì)算機(jī) 7連接。在本實(shí)施例中，所述的第一濾光片101、第二濾光片201、第三濾光片301和第四濾 光片401采用干涉濾光片。
于所述的第一檢偏器102、第二檢偏器202、第三檢偏器301和第四檢偏器401采 用為偏振分光棱鏡，或偏振片均可。所述的第一光電探測(cè)器104、第二光電探測(cè)器204、第三光電探測(cè)器304和第四光 電探測(cè)器404采用光電二級(jí)管、光電倍增管、光電池或CCD探測(cè)器均可。本實(shí)施例所述的濾光片為干涉濾光片。其光譜范圍為350-450納米。本實(shí)施例所述的檢偏器為格蘭_泰勒棱鏡。本實(shí)施例所述的光電探測(cè)器為四象限探測(cè)器。本實(shí)施例所述的綜合時(shí)分復(fù)用控制器由ADUC812單片機(jī)、模擬開(kāi)關(guān)MAX4526與 AD606對(duì)數(shù)放大器、運(yùn)算放大器TLC2652組成。本實(shí)施例系統(tǒng)的工作情況如下系統(tǒng)偏振標(biāo)定方向設(shè)定為第一檢偏器102的偏振方向。第一檢偏器102、第三檢偏 器302的主檢偏方向與系統(tǒng)偏振標(biāo)定方向分別成0°和45°。天空中的散射光入射到第一 偏振光鏡筒1、第二偏振光鏡筒2、第三偏振光鏡筒3和第四偏振光鏡筒中4。入射到第一偏 振光鏡筒1中的偏振光順序經(jīng)過(guò)第一濾光片101、第一檢偏器102、第一聚焦透鏡103后聚 焦到第一光電探測(cè)器104上。天空中的散射光在第二偏振光鏡筒2、第三偏振光鏡筒3、第 四偏振光鏡筒4中傳播情況與第一偏振光鏡筒1情況相同。大氣偏振光入射到四個(gè)檢測(cè)通 道的探測(cè)器上，第一偏振光鏡筒的探測(cè)器接收到光強(qiáng)信號(hào)Si = KI[l+dcos(2 φ－π)]，第二偏振光鏡筒的探測(cè)器接收到光強(qiáng)信號(hào)S2 = KI[l+dcos(2 φ-π )]， 第三偏振光鏡筒的探測(cè)器接收到光強(qiáng)信號(hào) 第四偏振光鏡筒的探測(cè)器接收到光強(qiáng)信號(hào) 其中I = Ifflax+Ifflin, 和Imin分別是旋轉(zhuǎn)第一偏振光鏡筒的檢偏器所得到的光強(qiáng) 信號(hào)的最大值與最小值，d是偏振度， 是大氣偏振的主方向與第一偏振光鏡筒的檢偏器 的偏振主軸方向之間的夾角，K是比例常數(shù)；第一偏振光鏡筒與第二偏振光鏡筒的光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)時(shí)分復(fù)用控制器后進(jìn)入對(duì)數(shù) 放大器與增益控制器，第二偏振光鏡筒的信號(hào)的對(duì)數(shù)值減去第一偏振光鏡筒的信號(hào)的對(duì)數(shù) 值，進(jìn)行增益控制處理后，由公式1與公式(2)，得到第一單元的信號(hào) 第三偏振光鏡筒與第四偏振光鏡筒的光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)時(shí)分復(fù)用控制器后進(jìn)入對(duì)數(shù) 放大器與增益控制器，第四偏振光鏡筒的信號(hào)的對(duì)數(shù)值減去第三偏振光鏡筒的信號(hào)的對(duì)數(shù) 值，進(jìn)行增益控制處理后，由公式(3)與公式(4)，得到得到第二單元的信號(hào)
數(shù)據(jù)采集卡6采集第一單元信號(hào)與第二單元信號(hào)，送計(jì)算機(jī)7處理，將P1和P2代 入下列公式(7)計(jì)算； 得到大氣偏振的主方向與第一通道的檢偏器的偏振主軸方向之間的夾角Φ，得到 大氣偏振的主方向，即大氣偏振圖景。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明減少了兩路檢測(cè)通道，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和 可靠性。由于采用綜合時(shí)分復(fù)用控制器，對(duì)四個(gè)檢測(cè)通道進(jìn)行同一處理，不僅可以在信號(hào)過(guò) 小時(shí)降低噪聲影響，在信號(hào)過(guò)強(qiáng)時(shí)避免探測(cè)信號(hào)飽和，大大降低了大氣光信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì) 測(cè)量結(jié)果的影響；而且可以減少通道間增益差異誤差和對(duì)數(shù)放大器差異誤差，保證多路信 號(hào)的穩(wěn)定性和一致性。
權(quán)利要求
一種四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)，特征在于其構(gòu)成包括在同一平面內(nèi)設(shè)置的結(jié)構(gòu)相同的第一偏振光鏡筒(1)、第二偏振光鏡筒(2)、第三偏振光鏡筒(3)和第四偏振光鏡筒(4)，所述的第一偏振光鏡筒(1)由在第一偏振光鏡筒(1)內(nèi)沿光束前進(jìn)方向依次設(shè)置的第一濾光片(101)、第一檢偏器(102)、第一聚焦透鏡(103)和第一光電探測(cè)器(104)構(gòu)成；所述的第二偏振光鏡筒(2)由在第二偏振光鏡筒(2)內(nèi)沿光束前進(jìn)方向順序放置第二濾光片(201)、第二檢偏器(202)、第二聚焦透鏡(203)和第二光電探測(cè)器(204)構(gòu)成；所述的第三偏振光鏡筒(3)由在第三偏振光鏡筒(3)內(nèi)沿光束前進(jìn)方向順序放置第三濾光片(301)、第三檢偏器(302)、第三聚焦透鏡(303)和第三光電探測(cè)器(304)構(gòu)成；所述的第四偏振光鏡筒(4)由在第四偏振光鏡筒(4)內(nèi)沿光束前進(jìn)方向順序放置第四濾光片(401)、第四檢偏器(402)、第四聚焦透鏡(403)和第四光電探測(cè)器(404)構(gòu)成；所述的第一檢偏器(101)與第二檢偏器(201)的偏振主軸方向相互正交；所述的第三檢偏器(301)與第四檢偏器(401)的偏振主軸方向相互正交；所述的第一檢偏器(101)與第三檢偏器(301)偏振主軸之間有夾角為45°；所述的第一光電探測(cè)器(104)、第二光電探測(cè)器(204)、第三光電探測(cè)器(304)和第四光電探測(cè)器(404)的輸出端與綜合時(shí)分復(fù)用控制器(5)的輸入端相連；該綜合時(shí)分復(fù)用控制器(5)由依次連接的時(shí)分復(fù)用控制器(501)、對(duì)數(shù)放大器(502)和可變?cè)鲆婵刂破?503)構(gòu)成，該綜合時(shí)分復(fù)用控制器(5)的輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡(6)和計(jì)算機(jī)(7)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的 第一濾光片(101)、第二濾光片(201)、第三濾光片(301)和第四濾光片(401)為干涉濾光片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的 第一檢偏器(102)、第二檢偏器(202)、第三檢偏器(301)和第四檢偏器(401)為偏振分光 棱鏡，或偏振片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的 第一光電探測(cè)器(104)、第二光電探測(cè)器(204)、第三光電探測(cè)器(304)和第四光電探測(cè)器 (404)為光電二級(jí)管、光電倍增管、光電池或C⑶探測(cè)器。
5.利用權(quán)利要求1所述的四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行大氣偏振圖景 檢測(cè)的方法，其特征在于該方法包括如下步驟①將所述的四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)的四個(gè)偏振光鏡筒垂直地設(shè)置在 同一個(gè)水平面內(nèi)，設(shè)定所述的第一偏振光鏡筒(1)的第一檢偏器(102)的偏振主軸方向，相 應(yīng)調(diào)整所述的第二檢偏器(202)、第三檢偏器(301)和第四檢偏器(401)的偏振主軸方向， 相對(duì)于所述的第一檢偏器(102)的偏振主軸方向的夾角依次為Ji/2、Ji/^dJi/l大氣偏 振光入射到四個(gè)偏振光鏡筒檢測(cè)通道的探測(cè)器上，所述的第一光電探測(cè)器(104)、第二光電 探測(cè)器(204)、第三光電探測(cè)器(304)和第四光電探測(cè)器(404)依次接收并分別輸出光強(qiáng)信 號(hào) 其中 1_和Imin分別是旋轉(zhuǎn)第一檢偏器(102)所得到的光強(qiáng)信號(hào)的最大 值與最小值，d是偏振度， 是大氣偏振的主方向與第一偏振光鏡筒的檢偏器的偏振主軸 方向之間的夾角，K是比例常數(shù)；②第一偏振光鏡筒(1)與第二偏振光鏡筒(2)輸出的光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)時(shí)分復(fù)用控制器(501)、對(duì)數(shù)放大器(502)和增益控制器(503)后，得到第一單元信號(hào)巧二工)， 第三偏振光鏡筒(3)與第四偏振光鏡筒(4)輸出的光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)時(shí)分復(fù)用控制器(501)、對(duì) 數(shù)放大器(502)和增益控制器(503)后得到第二單元信號(hào)戶 ③所述的第-單元信號(hào) )和第二單元信號(hào) 經(jīng)所述的數(shù)據(jù)采集卡(6)采集送所述的計(jì)算機(jī)(7)，該計(jì)算機(jī)(7)按下列式子計(jì)算得到大氣偏 振的主方向與第一偏振光鏡筒的檢偏器的偏振主軸方向之間的夾角 ，即大氣偏振圖景
全文摘要
一種四通道時(shí)分復(fù)用大氣偏振圖景檢測(cè)系統(tǒng)和方法，該檢測(cè)系統(tǒng)包括第一偏振光鏡筒、第二偏振光鏡筒、第三偏振光鏡筒、第四偏振光鏡筒、綜合時(shí)分復(fù)用控制器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。本發(fā)明通過(guò)采用綜合時(shí)分復(fù)用控制器對(duì)偏振檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)分對(duì)數(shù)放大與增益控制處理，使檢測(cè)通道數(shù)量減少到四個(gè)，從而降低大氣光信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，減少檢測(cè)通道間增益差異誤差和對(duì)數(shù)放大器差異誤差。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益噪聲少，信號(hào)穩(wěn)定性和一致性好，偏振圖景檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J4/00GK101871880SQ201010215238
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者步揚(yáng), 王向朝, 黃旭鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所