偏振光導(dǎo)航傳感器

1、編輯ppt偏振光導(dǎo)航傳感器偏振光導(dǎo)航傳感器編輯ppt引言引言 隨著軍事國防事業(yè)的發(fā)展，對導(dǎo)航定位系統(tǒng)的要求也不斷提高。偏振光導(dǎo)航因其無累積誤差、自主性強(qiáng)、不易受到外界干擾且系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn)而得到科學(xué)工作者們的青睞?？茖W(xué)工作者們對能夠利用天空中偏振光分布模式進(jìn)行導(dǎo)航的昆蟲，如沙漠螞蟻、蜜蜂等進(jìn)行了研究，并模仿這類昆蟲的視覺神經(jīng)系統(tǒng)搭建了偏振光導(dǎo)航傳感器，而微型化、集成化無疑會是未來傳感器發(fā)展的趨勢。MEMS技術(shù)的興起和發(fā)展，加速了傳感器的這種發(fā)展勢頭。 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、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

2、器的小型化變得迫切。此外，汽車市場、旅游市場的蓬勃發(fā)展無疑擴(kuò)大了對導(dǎo)航定位傳感器的需求，從軍事走向民生，這也對導(dǎo)航定位傳感器的成本、集成度、便攜性、安裝簡易程度有了更嚴(yán)苛的要求。編輯ppt1.偏振光導(dǎo)航傳感器的工作原理偏振光導(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直接輻射的光是無偏振態(tài)的，這種無偏振態(tài)的太陽光穿過大氣層時(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

3、表面的反射。 在晴朗天氣下對太陽光的散射主要是Rayleigh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。編輯ppt1.2 沙漠螞蟻的導(dǎo)航原理沙漠螞蟻的導(dǎo)航原理 一般來說，昆蟲的復(fù)眼分為三部分：背部邊緣區(qū)域(dorsal rim area，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。 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

4、毛相當(dāng)于一個(gè)單向感光器，其對特定方向的偏振光刺激的響應(yīng)為正弦曲線。圖1 位于背部邊緣區(qū)域(DRA)的小眼橫切示意圖編輯ppt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)感桿僅對與它同向的偏振光敏感。視神經(jīng)葉部分的中問神經(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軸與太陽子午線的夾角。綜上所述，沙漠螞蟻通過視網(wǎng)膜層感知偏振度和偏振方向的分布模式，通過神經(jīng)中樞層對其響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行綜合處理

5、計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)偏振光導(dǎo)航。編輯ppt1.3 偏振光導(dǎo)航傳感器理論模型偏振光導(dǎo)航傳感器理論模型 此傳感器模仿沙漠螞蟻的視覺神經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成，其主要包括偏振光檢測部分和電信號處理部分。其中，偏振光檢測部分包括一個(gè)集成光電探測器和三個(gè)對數(shù)放大器。集成光電探測器內(nèi)含有三個(gè)互成600的偏振檢測通道，每個(gè)通道由兩個(gè)偏振方向相互垂直的偏振光檢測單元組成。偏振光檢測部分將入射到金屬光柵上的光信號最終轉(zhuǎn)換為電壓信號；而電信號處理部分主要由控制電路組成，其通過一定的算法對對數(shù)放大器輸出的電壓信號進(jìn)行處理從而得到偏振角度。 通過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

6、矢量與太陽子午線互相垂直，并且在固定的時(shí)問、地點(diǎn)下太陽子午線與正南正北方向的夾角為太陽方位角，因此在偏振角度上加上90。和太陽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。編輯ppt2.偏振光導(dǎo)航傳感器硬件設(shè)計(jì)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模塊、控制處理模塊和電源模塊組成，其中，偏振光檢測模塊由集成光電探測器和對數(shù)放大電路組成，實(shí)現(xiàn)偏振光檢測、光電轉(zhuǎn)和信號放大等功能：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埽浑娫茨K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)圖編輯ppt3.偏振光導(dǎo)航傳感器程序設(shè)計(jì)偏振光導(dǎo)航傳感器程序設(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Embedded Workbench for MSP430(EW430)開發(fā)軟件作為MSP430單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境。IAR EW430開發(fā)軟件作為一種集成式開發(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430處理器的編譯器(ICC430編譯器)。MSP430單片機(jī)含有JTAG接口和FLAS