偏振光导航传感器

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偏振导航机理

偏振导航机理导言偏振导航是一种利用人工合成的偏振光进行定位和导航的技术。

它基于光的偏振性质和地球磁场变化之间的关联，通过观测光传播过程中的光线偏振角度变化，实现精确定位和导航。

本文将探讨偏振导航的机理以及其在现代导航系统中的应用。

一、偏振光的基本概念偏振光是指光中振动方向保持一致的光。

通常，光是以横向电磁波的形式传播的，而电磁波的振动方向可以在垂直于传播方向的平面内任意方向上变化。

偏振光则是指这一振动方向限定在某一特定方向上的光。

二、光的偏振态描述光的偏振态可以用偏振椭圆或偏振矢量来描述。

偏振椭圆是指偏振光在平面垂直于传播方向上的椭圆轨迹。

而偏振矢量则指偏振光的振动方向。

在偏振椭圆中，主要有线偏振和圆偏振两种形式。

线偏振指偏振光在平面垂直于传播方向上的椭圆轨迹为直线。

而圆偏振则是指椭圆轨迹为圆形。

三、光的偏振现象光在传播过程中会发生偏振现象，即光的振动方向发生改变。

这是由于光在各种介质中的传播速度和传播路径与连接光传播方向和电场方向的矢量之间的关系。

其中，最常见的偏振现象是波片的吸收和反射。

当光从介质中经过后，它的振动方向可能发生改变。

这可以用玻璃窗作为例子，当光从窗玻璃中传过来时，有一部分光相对于原来的方向发生了改变。

四、地球磁场与偏振导航地球磁场是指地球周围的磁场空间。

它对地球上的物质和现象起着重要的影响。

由于地球磁场的存在，光在传播过程中会受到磁场的影响，从而导致光的偏振角度发生变化。

基于这个原理，研究人员发展出了偏振导航技术。

通过利用人工合成的偏振光对地球磁场的敏感性，可以实现在地球上的定位和导航。

偏振导航系统利用各种传感器和仪器来测量光的偏振角度变化，并计算出相应的位置和方向信息。

五、偏振导航的应用偏振导航技术在许多领域中都有广泛的应用。

在航空航天领域，偏振导航被用于飞行器的精确定位和导航。

通过测量飞行器周围的偏振光角度变化，可以提供更准确的飞行路径和位置信息，提高飞行安全性。

此外，偏振导航还被应用于海洋勘探、地质勘查、军事侦查等领域。

偏振光相关

（1）概述偏振光的优势：在较大范围内很难受人为因素的干扰和破坏，特别是在弱/无卫星导航信号的“特殊环境下”仍能提供导航信息。

由来：偏振光导航传感器就是利用自然偏振特性获取导航信息的导航传感器，这种思想来源于沙蚁、蜜蜂等利用偏振光导航的生物大气偏振模式：太阳光在传输过程中由于大气的散射作用而产生偏振光，并形成的特定的偏振态分布，即大气偏振模式。

大气偏振模式具有以太阳子午线对称分布的特性，包含了丰富的方向和位置信息。

方法：分析研究生物的偏振敏感机制对研制开发新型偏振光导航传感器具有实际的启发和指导意义。

在此基础上，利用光电敏感材料和电子元件模仿其结构和功能，辅以现代信号处理方法，设计一种精度高、抗干扰能力强的偏振光导航传感器并通过科学的实验测试和分析其性能，是这种新型导航系统实现的必经之路。

（2）生物偏振敏感机制沙蚁并不知道任何时刻特定的e-矢量发生在哪里，但是它们的罗盘系统可以成功的处理任何部分天光偏振模式，只要沙蚁在往返途中经历的是同一部分模式。

？？？？？？？？？？昆虫的DRA 小眼具有以下的普遍特征1. 在偏振敏感的DRA小眼中，微绒毛沿感杆束整齐阵列，而在DRA以外的区域，要么是微绒毛排列不整齐，要么是整个感杆束扭曲。

因此，DRA中的偏振敏感性很高而在其它区域微弱或者几乎没有。

2. DRA中每个小眼由微绒毛互相交叉垂直的单向光感受器组成，它们所调谐的e-矢量方向正交，这种对抗机制使系统独立于周围环境的光强。

3. 与一般小眼的感杆束相比，DRA的感杆束在形状、宽度和长度上均有所不同，它们更短并具有更大的横截面。

缩短感杆束可以减少自放映促进偏振敏感度，而加宽感杆束的横截面可以提高绝对灵敏度。

4. 许多昆虫小眼的光学性能退化，从某种程度上显著提高了DRA小眼的视野。

如，蜜蜂DRA小眼的角膜中包含轻微的散射孔道，而蟋蟀DRA小眼既缺少对外角膜又没有放映色素。

这些特征减弱了DRA小眼的光学特性，增强了光感受器的视野作用。

偏振光仪的原理和应用

偏振光仪的原理和应用1. 原理偏振光仪是一种用来测量光的偏振状态的仪器。

光的偏振状态描述了光波中电场矢量振动方向的性质。

偏振光仪通过测量光的基本参数，如偏振角、相对光强或光传输方向，来确定光的偏振状态。

偏振光仪的基本原理是利用光的干涉或旋转效应来分析光的偏振特性。

下面介绍几种常见的偏振光仪及其原理：1.1 偏光片偏光片是最简单、最常见的偏振光仪之一。

偏光片可以使特定方向的光通过，而将其他方向的光吸收或减弱。

它的工作原理是利用偏振膜的特殊结构，将特定方向的光分离出来。

1.2 波片波片是一种通过改变光的相位来调节光的偏振状态的偏振光仪。

波片通常由透明光学材料制成，具有不同的光程差。

当一束线偏振光通过波片时，光的相位会发生变化，从而改变光的偏振状态。

1.3 旋光仪旋光仪是一种通过测量光的旋转角度来确定光的偏振状态的偏振光仪。

旋光是指光在通过某些材料时产生的角度旋转现象。

旋光仪利用旋光现象来测量光的偏振状态。

2. 应用偏振光仪在各个领域中都有广泛的应用。

下面列举几个常见的应用：2.1 光学显微镜偏振光显微镜是一种利用偏振光原理观察材料细结构和性质的显微镜。

通过在光源处添加偏振片和波片，可以改变光的偏振状态，并观察材料在不同偏振状态下的显微图像，从而了解材料的光学性质、结构和组织。

2.2 偏振光传感器偏振光传感器是一种用于测量光的偏振状态和偏振参数的传感器。

它可以将光的偏振信息转化为电信号，通过测量电信号的强度、频率或相位来确定光的偏振状态。

偏振光传感器在光通讯、光谱分析和光学成像等领域中具有重要应用。

2.3 光学液晶显示器光学液晶显示器是利用液晶材料对光的偏振状态进行调节，实现图像显示的一种显示技术。

通过在液晶面板上添加偏振片和波片，可以控制光的偏振状态和相位，从而实现图像的显示和调节。

2.4 偏振滤波器偏振滤波器是一种通过选择特定偏振态的光进行滤波的装置。

它可以选择性地透过或阻止特定方向的偏振光，从而实现光的分解、合成和调制。

光的偏振在电流传感器中的应用

电流传感器是一种用来测量电流的设备，它可以将电流转换成电压或其他形式的信号输出。

在电流传感器中，光的偏振技术被广泛应用。

本文将介绍光的偏振在电流传感器中的应用，并举例说明其优势和应用场景。

一、什么是光的偏振技术光的偏振是指光线的振动方向在特定平面内的现象。

在光的传播过程中，光线的振动方向可以沿着任意方向，但是在某些情况下，光线的振动方向会被限制在特定的平面内，这种现象就称为光的偏振。

二、光的偏振在电流传感器中的应用在电流传感器中，光的偏振技术被广泛应用。

一般来说，电流传感器中采用的光源是激光，激光光线的振动方向是固定的，因此可以通过光的偏振来测量电流。

具体来说，电流传感器中会使用一个偏振器和一个检测器。

偏振器将光线的振动方向限制在特定的平面内，然后光线穿过被测电流所产生的磁场时，光线的偏振方向会发生旋转。

最后，检测器会测量旋转后的光线的偏振方向，从而计算出电流的大小。

光的偏振技术在电流传感器中的应用具有以下优势：1. 高精度：光的偏振技术可以实现非常高的精度，因为光线的偏振方向可以非常精确地测量。

2. 高灵敏度：光的偏振技术可以实现非常高的灵敏度，因为光线的偏振方向会随着电流的变化而发生微小的变化。

3. 高稳定性：光的偏振技术具有很高的稳定性，因为光线的偏振方向不会受到外界干扰的影响。

三、光的偏振在电流传感器中的应用场景光的偏振技术在电流传感器中的应用场景非常广泛，以下是一些常见的应用场景：1. 电力系统监测：在电力系统中，需要对电流进行实时监测，以确保电力系统的安全和稳定。

光的偏振技术可以实现高精度和高灵敏度的电流监测，因此被广泛应用于电力系统监测。

2. 工业自动化：在工业自动化中，需要对电机和设备的电流进行监测，以确保设备的正常运行。

光的偏振技术可以实现高精度和高稳定性的电流监测，因此被广泛应用于工业自动化领域。

3. 汽车电子：在汽车电子中，需要对电池和发动机的电流进行监测，以确保汽车的正常运行。

基于偏振光传感器的导航系统实验测试

２．ＫｅｂｒｔｒｆＴｃｎｌｇｒｃｓｏ＆Ｎｏ — ｒｄｔｎｌＭａｈｎｎｆＭｉｉｔｆＥｄｃｔｏｙＬａｏａｏｏｅｈｏｏｙＰｅｉｉｎｙｎＴａｉｉａｃｉｉｇｏｎｓｒｏｕａｉｎ．ｏｙ
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光纤传感器原理振幅相位偏振态

光纤传感器原理振幅相位偏振态光纤传感器是一种利用光纤的特性来实现传感功能的设备。

它通过测量光信号的振幅、相位和偏振态等参数来实现对环境的监测和测量。

光纤传感器的原理是基于光的传输特性。

光在光纤中的传输是通过光的全反射实现的。

当光线进入光纤时，由于光的入射角度大于临界角，光会在光纤内部发生反射，沿着光纤的轴向传播。

而当光遇到介质的边界时，会发生折射，改变光的传播方向。

光纤传感器利用这种光的传输特性，通过测量光的振幅来实现对环境参数的测量。

当外界环境参数发生变化时，会引起光的振幅的变化。

光纤传感器可以通过测量光信号的振幅变化来判断环境参数的变化情况。

例如，光纤传感器可以用来测量温度、压力、湿度、震动等参数。

除了振幅，光纤传感器还可以测量光信号的相位。

相位是指光波的起始点与参考点之间的差距。

光纤传感器可以通过测量光信号的相位变化来判断环境参数的变化情况。

相位的测量可以实现更高精度的测量结果。

光纤传感器还可以测量光信号的偏振态。

光的偏振态是指光波的振动方向。

光纤传感器可以通过测量光信号的偏振态变化来判断环境参数的变化情况。

偏振态的测量可以实现对环境参数的更加精确的测量。

光纤传感器的应用非常广泛。

在工业领域，光纤传感器可以用来监测机器设备的运行状态，实现对温度、压力、振动等参数的实时监测。

在环境监测领域，光纤传感器可以用来测量大气中的污染物浓度、土壤中的水分含量等参数。

在医疗领域，光纤传感器可以用来监测患者的生命体征，实现对心率、血压等参数的实时监测。

光纤传感器利用光的传输特性，通过测量光信号的振幅、相位和偏振态等参数来实现对环境的监测和测量。

它具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于各个领域。

随着光纤技术的不断发展，光纤传感器的应用前景将更加广阔。

仿生POL神经元的偏振光导航传感器研究

Ｐｅｒｎ，ｎｔｃｎｒａｉｅｌｔｃｕｓｉｎｏｏａｚｄｌｈｉｅｔｎｔｉｈｐｅｉｏｅｓｔｅＯＬｎｕｏｓａｄｉａｅｌｅｒａ—ｉｚｍｅａｑｉｉｏｆｐｌｒｅｉｔｄｒｃｉ．Ｉｈｇｒｃｓｎｍｅｔｈｔｉｇｏｓｉ
２１年第３０１０卷第９期
传感器与微系统（ｒｎｄｃｒｎｃｏｙｔｅｈｏｇｓＴａｓｕｅｄＭｉｓｓｍＴｃｎｌｉ）ａｒｅｏｅ
５３
仿生ＰＯＬ神经元的偏振光导航传感器研究
范宁生，张旭东，范之国，王昕
ａｄａｐｌｒｅｉｈａｉａｉｎｓｎｏｍｉｔｇＰｅｒｎｎｉｓｃｓ’ ｖｓｎｓｓｅｉｄｓｎｄｎｏａｉｄｌｔｎｖｇｔｅｓｒｉｔｉＯＬｎｕｏｓｉｎｅｔｚｇｏａｎｉｉｙｔｍｓｅｉｅ．Ｗｏｋｎｏｇｒｉｇｐｎｉｌｎｉｕｃｉｎｎｔｃｕｅｏｈｅｓｒａｅｎｒｄｃｄｈｘｅｉｎａｒｓｌａｅｇｖｎｔｉｒｃｐｅａｄｍａｎｆｎｔｉｇｓｒｔｒｆｔｅｓｎｏｒｉｔｏｕｅ．Ｔｅｅｐｒｏｕｍｅｔｌｅｕｔｒｉｅ．Ｉｓ
太阳光在传输过程中由于大气的散射作用而产生偏振光，并形成特定的偏振态分布，即大气偏振模式 … 。它包含了丰富的方向和位置信息。人眼看不到光的偏振现象，

偏振光导航

偏振光导航应用
随着精密实验仪器飞速发展和加工工艺水平不断提高，研究人员对具有偏振敏感性生物的神经组织结构和行为生理学的研究取得了重大突破，同时模仿昆虫偏振视觉的仿生视觉也取得了很大进步。各国研究者模仿生物感知偏振光的生理结构，设计出仿生偏振光敏感器，并且将偏振光导航方法应用到地面移动机器人、船舶等二维运动体。瑞士研究者用偏振器件模仿生物复眼测量光的偏振，并且在移动机器人上构建的偏振罗盘获得了成功应用。
偏振光观测量对于位置误差极不敏感。地面位置误差几十米，引起的偏振光观测量变化不大。因此单纯使用偏振光观测同时完成定位误差和平台误差角的估计在实际应用中是不可行的。目前有采用GPS辅助SINS定位，而偏振光观测进行姿态误差修正。
基于偏振特性的卫星自主导航新方法
目前偏振光导航主要应用在大气层内运动体的导航，为其提供方向信息。利用大气层外偏振光进行卫星自主导航的研究，它与大气层内的偏正光导航有很大不同。首先，大气层外空间的偏振光模式与地面附近不同。地面附近的观测者观测到的光都是经过大气散射的；而轨道空间上的卫星只有对着地球方向才能观测到大气后向散射的偏振光，其它方向是黑暗的太空或者太阳直接入射的自然光。因此，必须研究以轨道空间为观测点得到的偏振模式。其次，卫星在轨运动方式与地面物体是不同的，卫星有确定的运行轨道，不同于地面物体的自由运动。需要深入分析偏振模式中包含的卫星姿态与轨道信息，探索利用这信息进行卫星自主导航的方法。
卫星在轨观测大气散射偏振光图示
Hale Waihona Puke 卫星能够观察到星下球冠部分的大气散射。研究表明，由大气后向散射的偏振模式包含了卫星、太阳与地球的方位信息，能够为航天器提供姿态与轨道信息。将地面仿生导航方法推广到轨道空间，大气层外运行的航天器利用大气散射产生的光的偏振现象进行自主导航，是空间自主导航的新原理与新方法，与目前已有的卫星自主导航方法相比，能够从新的途径获得新的导航信息，并且有可能获得更高的导航精度。

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传感器，而微型化、集成化无疑会是未来传感器发展的趋势。MEMS技术的兴起和
发展，加速了传感器的这种发展势头。
• 偏振光导航不仅具有单独完成导航定位功能的潜能，还可以与其它导航传感器
相互检测、补充以保证导航数据的准确性。多种传感器或多个相同传感器的使用使得传感器的小型化变得迫切。此外，汽车市场、旅游市场的蓬勃发展无疑扩大了对导航定位传感器的需求，从军事走向民生，这也对导航定位传感器的成本、集成度、便携性、安装简易程度有了更严苛的要求。
在晴朗天气下对太阳光的散
•
射主要是Rayleigh散射，这种散射
光具有一定的偏振分布规律，根据
这些规律建立的大气天空偏振模型
如图所示。
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3
1.2 沙漠蚂蚁的导航原理
•
一般来说，昆虫的复眼分为三部分：背部边缘区域(dorsal rim area，DRA)、
其余背部边缘区域(DA)以及中央区域(VA)。而不同的昆虫的复眼又具有数量不等的
MSP430(EW430)开发软件作为MSP430单片机的开发环境。IAR EW430开发
软件作为一种集成式开发环境，提供了工程管理、程序编辑、代码下载、调试
等功能，此外，还提供了一个针对430处理器的编译器(ICC430编译器)。
MSP430单片机含有JTAG接口和FLASH型存储器，FLASH型存储器可以多次
偏振光导航传感器
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1
引言
•
随着军事国防事业的发展，对导航定位系统的要求也不断提高。偏振光导航
因其无累积误差、自主性强、不易受到外界干扰且系统简单等优点而得到科学工作
者们的青睐。科学工作者们对能够利用天空中偏振光分布模式进行导航的昆虫，如
沙漠蚂蚁、蜜蜂等进行了研究，并模仿这类昆虫的视觉神经系统搭建了偏振光导航
可得到传感器体轴与正南正北方向的夹角，即可得到导航角度。
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2.偏振光导航传感器硬件设计
•
偏振光传感器主要由偏振光检测模块、控制处理模块和电源模块组成，其中，
偏振光检测模块由集成光电探测器和对数放大电路组成，实现偏振光检测、光电转
和信号放大等功能：控制处理模块包括JTAG接口部分、串口通信部分以及AD转换
号最终转换为电压信号；而电信号处理部分主要由控制电路组成，
其通过一定的算法对对数放大器输出的电压信号进行处理从而得到
偏振角度。
•
通过以上算法可以求出天空偏振光的偏振角度，即传感器体
轴与偏振光的E矢量之间的夹角。由于偏振光E矢量与太阳子午线
互相垂直，并且在固定的时问、地点下太阳子午线与正南正北方向
的夹角为太阳方位角，因此在偏振角度上加上90。和太阳方位角便
小眼，每个小眼的结构类似，其中位于背部边缘区域的小眼特化，有利于偏振光的
探测。
•
图1为沙漠蚂蚁位于DRA区域的单个小眼横切示意图。其中，哑铃型的阴影
区域为感杆束，感光细胞R1和R5的微绒毛与其余的感光细胞的微绒毛方向正交。
每个微绒毛相当于一个单向感光器，其对特定方向的偏振光刺激的响应为正弦曲线。
图1 位于背部边缘区域(DRAA)的小眼横切示意图
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1.3 偏振光导航传感器理论模型
•
此传感器模仿沙漠号处理部分。其中，偏振光检测部分包括
一个集成光电探测器和三个对数放大器。集成光电探测器内含有三
个互成600的偏振检测通道，每个通道由两个偏振方向相互垂直的
偏振光检测单元组成。偏振光检测部分将入射到金属光栅上的光信
电擦写。MSP430支持汇编语言和C语言两种开发语言，在EW430下编写好程
序后，编译为单片机可以识别的语言，然后通过JTAG调试接口下载到单片机
的FLASH存储器内。
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部分，能够实现程序下载和调试、数据的转换和传输等功能；电源模块则包含三个
电压转换电路，为传感器内各种芯片提供供电电压。本传感器还可以外接GNSS模
块，来获得传感器所在位置的经纬度信息。偏振光传感器结构图如图2所示。
图2 传感A器结构图
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3.偏振光导航传感器程序设计
•
偏振光导航传感器的程序设计采用IAR公司的Embedded Workbench for
4
沙漠蚂蚁的视网膜上具有数百个面向不同方向的视神经感杆，每一个感杆仅对与它同向的偏振光敏感。视神经叶部分的中问神经元接受视网膜上偏振敏感方向互相垂直的视神经感杆的输入，其对视网膜的神经输入的响应也是正弦曲线，在沙漠蚂蚁自身体轴与太阳子午线之间夹角呈10。、60。、130。时响应达到最大，偏振视神经中枢根据中间神经元的不同响应值计算、译码得出沙漠蚂蚁自身体轴与太阳子午线的夹角。综上所述，沙漠蚂蚁通过视网膜层感知偏振度和偏振方向的分布模式，通过神经中枢层对其响应结果进行综合处理计算从而实现偏振光导航。
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1.偏振光导航传感器的工作原理
• 1.1 基于瑞利散射理论的大气天空偏振模型
• 太阳直接辐射的光是无偏振态的，这种无偏振态的太阳光穿过大气层时被大气
中的原子、分子、颗粒等影响发生散射，从而部分太阳光的偏振状态改变。自然环境中的偏振光主要有两大来源：一是大气和水圈内的散射，其中，地球大气内的散射主要是Rayleigh散射和Mie散射；二是水面或者其它有光泽的非金属电解质(如油、岩石和植被)等的表面的反射。