偏振光导航.ppt

偏振光导航 常立平 2009200256 提纲 偏振光导航简介 生物经过长期进化，逐渐形成了与生长环境相适应的组织、结构和生活方式，这为人类的技术创新提供了想象空间与参考依据。利用大气自然偏振光为地面运动物体提供导航信息，就是人们从生物的导航方法中学习得到的。 例如，在撒哈拉沙漠中，有一种蚂蚁具有惊人的导航定位本领 。这种大脑仅有0.1mg的蚂蚁可以到距离巢穴数百米的地方进行觅食，一旦发现合适的猎物，它们能够以一条直线路径准确返回巢穴，而它们的旅途却是身体长度的数千倍。在沙漠中既没有什么地标可以参照，干燥的环境又使它们不可能利用什么气味导航，同时它们也不具备发达的大脑进行判断。 瑞士生物神经学家Wehner经过长时间对沙蚁的研究发现，沙蚁复眼具有三类偏振对立的神经元，接受视网膜上最大敏感方向互相垂直的视神经感杆的输入，经过计算和译码就可以得出沙蚁体轴与太阳子午线的夹角，从而实现其导航功能． 自然光(包括日光和月光)在穿透大气层时会发生散射现象，理论与实验研究表明，散射辐射会发生不同程度的发生偏振，偏振方向总是垂直于入射光与散射光所确定的平面，理论上散射面与太阳光夹角90度的位置上会出现最大程度的偏振，当观测方向偏离太阳而未达到90度时，偏振度会逐渐增大。此后，会逐渐减小。偏振的方向与强度与太阳光的入射方向和观测者的方位相关。因此，大气散射产生的偏振模式能够为地面的观测者提供太阳的方向信息。 偏振光导航原理 根据瑞利(Rayleigh)散射原理，处于地面附近的观测者观察到光的偏振模式如图，其中O为观测者位置，s为太阳，z为观测者的天顶方向，太阳、天顶与观测者组成的平面为太阳子午面。SM(Solar Meridian)与ASM(Anti—Solar Meridian)分别表示太阳子午面中朝向太阳与背向太阳的部分。图中短线的方向与宽度分别代表偏振方向与偏振度大小。天空中偏振模式以太阳子午面为对称面分布，与太阳光垂直方向的偏振度最大，并且任何一个被观察点的偏振光方向垂直于太阳、观察者和被观察点三者构成的平面。 借鉴生物敏感偏振光的生理结构，人们设计了仿生偏振 光敏感器. 模仿沙蚁的三类对不同偏振角度敏感的偏振神经元，配 备三个面向不同偏振方向轴的检偏器(0度、60度和120度).每 个检偏器由一对偏振方向互相垂直的偏振片组成，以模仿沙 蚁偏振敏感的视神经感杆. 测试系统通过光电二极管和对数运算放大器，把从三个 检偏器输出的偏振光信号转化为三路电压信号，再根据相关 的计算公式，计算出相应位置的定位角度． 测试系统采集到的三路电压信号与此位置的定位角度之 间的关系为 对于移动机器人等二维运动的导航，基于偏振光的定向方法能够提供一个参考方向，还需要距离信息。可通过测量机器人轮速进行距离估计。并通过视觉摄像机，使用路标进行修正。 对于大气内的三维空间运动，偏振光观测与运动体的姿态角和地理位置有关： 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。 偏振光导航应用