1、偏振光导航传感器 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
2、，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。 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。 在晴朗天气下对太阳光的散 射
3、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。 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
4、应为正弦曲线。 图1 位于背部边缘区域(DRA)的小眼横切示意图 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。 5 1.3 偏振光
5、导航传感器理论模型 此传感器模仿沙漠蚂蚁的视觉神经系统设计而成，其主要包括偏 振光检测部分和电信号处理部分。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
6、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。 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
7、图2所示。 图2 传感器结构图 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 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。 谢谢 聆听
