专利名称：基于偏振仿生原理的指南针的制作方法
技术领域：
本发明属于导航测向传感器设计领域，涉及到一种利用大气中相对稳定的 偏振光分布模式结合时间信息进行方向指示的检测方法和传感器装置。
背景技术：
目前能起到方位指示作用的传感器，主要包含地磁罗盘、天文六分仪及GPS 导航系统。地磁罗盘原理结构简单，但精度较低；天文六分仪原理装置简单， 也有较高的测量精度，但是定位测向计算步骤多，时间长，因而在实用中受到 了诸多限制；GPS系统以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独 有的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，在众多领域得到广 泛应用。但对于某些单一、专门的用途来说，GPS系统显然结构过于复杂，因而 成本太高并且不易操作，同时GPS系统完全依赖与卫星间的电磁通信，易受电 磁干扰。
专利一种数字式指南针，专利申请号02288830.6，其主要的技术特征是 将物理磁针铆接在轻质、不透明和设有缺口的薄圆盘上，周围均布光电收发管 对，缺口将圆盘转动通过的光信号转成电信号再处理。这种指南针机械电气结 构简单，成本低廉，使用方便，但是测角精度较低
另外一个专利偏振光分束检偏法测量物体的角位移，专利申请号 03110882.2，具有利用光介质进行测量，不包含运动机构，光电结构相对简单 的特点，但是对偏振光源的要求较高，容易受到环境光噪声的干扰，适用范围 受到限制。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种简单实用、精度高的基于偏振仿生原 理的指南针。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案
该装置包括偏振光接收模块、光电转换和调理模块、信号采集模块、实时 时钟模块、信号处理模块、通讯接口和显示模块。
沙漠蚂蚁具有三类对不同偏振角度敏感的偏振神经元，偏振光接收模块用
于模仿沙漠蚂蚁的这些偏振神经元。该模块配备了面向0。 、 60°和120°的三 个不同偏振方向的检偏器。每个检偏器由一对偏振主轴方向互相垂直的偏振片 组成，以模仿沙漠蚂蚁偏振敏感的视神经感杆。
光电转换和调理模块包括光电二极管和对数运算放大器。通过光电二极管 和对数运算放大器，将三路检偏器输出的偏振光信号转化为三路模拟电压信号， 用于信号采集模块。
信号采集模块包括多通道选择器和AD转换芯片。该模块在控制器的控制下，
对光电转换和调理模块输出的三路模拟电压信号进行模数转换，输出相应的数 字信号。
信号处理模块包括微处理器和实时时钟。信号采集模块采集到的三路电压 ^号与输出角度之间的关系满足公式(1) 、 ( 2 )或(3 ):
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，-为传感器零度参考方向与太阳子午线之间夹角，G⑨，^⑨，^⑨为三路检偏器输出的三路电压信号，"为偏振光的偏振程度,
<formula>formula see original document page 6</formula>
(5)和(6)
=^W)，经过反对数及反三角变换即可得到角度卩的计算公式(4)、
- = 一 arctan 2
^ = — arctan 2
j 1
0 = — arctan 2
麵⑨-*)
、-满-2满
7T + 一
3
(4)
(5)
(6)
微处理器根据计算公式(4) 、 ( 5)或(6 )中任意一个即可计算得出 传感器体轴与太阳子午线间的夹角，简称相对角度。
由式(4)、 (5)或(6)中的任何一个都可以获得相对角度的值。但传感器在实 际计算中使用(4)、 (5)和(6)式各计算出一个角度值，然后对这三个计算结果进 行取平均值，以此提高测量角度的精度。
相对角度值只是传感器体轴与太阳子午线间的夹角，而太阳子午线本身是 时刻在发生变化的。为得到传感器体轴与地理正南的夹角，简称绝对角度。绝 对角度的值必须实时得到太阳子午线与地理正南的夹角值才能计算。根据天体 运行理论，太阳子午线与地理正南的夹角只与时间有关。
太阳高度角&是地球表面上观察点和太阳的连线与地平面之间的夹角，可 用式(7)计算
sinhs =sin^sin^+cos0cos^cosf (7)
太阳方位角As是太阳至地面上某给定点连线在地面上的投影与正南方向
(当地子午线)的夹角。太阳偏东时为负，偏西时为正，其计算公式为
., COS 5
cosh
(8)此式算得的sin4的绝对值较小时，换用式(8)计算:
cos A
sinh5 sin ^ — sin (5
s coshscos-
(9)
其中hs太阳高度角； As太阳方位角；
t当地太阳时角，表明时间的变化；
^地理纬度，表明观察点所在的位置；
^赤纬，表明季节(日期)的变化。 传感器中配备的实时时钟模块用于为太阳方位角计算公式提供时间信息。 根据天体运行理论中的相关计算方法，利用实时时钟提供的时间信息，结
合公式(7)、 (8)及(9)便可以得到此时太阳子午线与地理正南方向的夹角值。
利用太阳子午线与地理正南方向的夹角值，然后与相对角度作"和"，从而 得到绝对角度值，达到指示传感器体轴与地理正南之间夹角的目的。
通讯接口及显示装置提供了 RS-232及以太网通讯接口和LCD显示装置。
本发明的效果和益处是该发明为光机电一体化设计，新颖的偏振光接收模 块模仿了沙漠蚂蚁的三类对不同偏振角度敏感的偏振神经元；高精度对数运算 放大电路很好地解决了不同时刻偏振光强度变化范围过大，导致光电转换后输 出电流跨越量级范围过宽等问题；相对方位角度算法和实时时钟的配合使用， 巧妙地得出了绝对方位信息。该发明具有结构简单、性能可靠、检测精度高的 优点。


图l是本发明装置的结构框图。
图2是光电转换及调理模块的电路原理图。
图3是根据本发明的实施例的结构示意图。图4是本发明方位指示装置中的信号处理单元的处理流程图。
具体实施例方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明方位指示装置包括偏振光接收模块110、光电转换及调 理模块120、信号采集模块130、实时时钟模块140、信号处理模块150、外界控 制模块160和通讯接口及显示装置170。
如图2所示，是根据本发明的一实施例的光电转换及调理模块120的电路原 理图。该电路首先通过光电二极管实现将光信号转换为电信号，然后通过对数 放大器对一对光电信号进行对数放大处理。
如图3所示，是根据本发明的一实施例的结构示意图。触摸按键A、 B及C用 于控制指南针的工作或输入一些必要信息，也可以根据需要增加按键数量或换 成其它输入方式。RS-232通讯接口D，以太网通讯接口E用于输出方位信息。LCD 显示屏F，用于显示方位信息，可以文字或图形方式显示。
如图4所示，是本发明方位指示装置中的信号处理模块150的计算处理流 程图。信号处理模块150中的微控制器首先控制信号采集模块130完成数据的 采集。接着对采集到的信息进行变换处理，然后利用公式(4)或(5)或(6) 得到相对方位角信息。太阳方位角只依赖于时间信息，得到实时时间信息结合 公式(7) 、 (8)及(9)便可以得到此时太阳子午线与地理正南方向的夹角值 (即太阳方位角)。然后将太阳方位角与相对角度作"和"，从而得到绝对角度 值(即方位角)，达到指示传感器体轴与地理正南之间夹角的目的。
权利要求
1. 一种基于偏振仿生原理的指南针，其特征在于该指南针包括偏振光接收模块、光电转换和调理模块、信号采集模块、实时时钟模块、信号处理模块、通讯接口和显示模块；偏振光接收模块用于模仿沙漠蚂蚁的偏振神经元，配备了面向0°、60°和120°的三个不同偏振方向的检偏器；每个检偏器由一对偏振主轴方向互相垂直的偏振片组成，模仿沙漠蚂蚁偏振敏感的视神经感杆；光电转换和调理模块包括光电二极管和对数运算放大器；通过光电二极管和对数运算放大器，将三路检偏器输出的偏振光信号转化为三路模拟电压信号，用于信号采集模块；信号采集模块包括多通道选择器和AD转换芯片；该模块在控制器的控制下，对光电转换和调理模块输出的三路模拟电压信号进行模数转换，输出相应的数字信号；信号处理模块包括微处理器和实时时钟；实时时钟模块用于实时提供时间信息；微处理器采用公式(7)、(8)和(9)处理信号采集模块输出的三路数字信号，计算得到太阳方位角AS；SinhS＝sinφsinδ+cosφcosδcost (7)太阳偏东时为负，偏西时为正，其计算公式为式(8)算得的sinAS的绝对值较小时，换用式(9)计算其中hS太阳高度角；AS太阳方位角；t当地太阳时角，表明时间的变化；φ地理纬度，表明观察点所在的位置；δ赤纬，表明季节(日期)的变化；利用太阳方位角AS与相对角度作“和”，得到绝对角度值，达到指示传感器体轴与地理正南之间夹角的目的；通讯接口及显示装置提供了RS-232及以太网通讯接口和LCD显示装置。
2.根据权利要求1所述的基于偏振仿生原理的指南针，其特征在于微处理器根据公式(4)、 (5)或(6)中之一即可计算得出传感器体轴与太阳子午线间 的夹角；<formula>formula see original document page 3</formula>
3.根据权利要求2所述的基于偏振仿生原理的指南针，其特征在于微处 理器根据公式使用(4) 、 (5)和(6)式各计算出传感器体轴与太阳子午线间的夹 角，然后对这三个计算结果进行取平均值，作为传感器体轴与太阳子午线间的 夹角。
全文摘要
本发明公开了一种基于仿生偏振原理的指南针，属于导航测向传感器设计领域。其特征是该指南针包括偏振光接收模块、光电转换及调理模块、信号采集模块、实时时钟模块、信号处理模块、通讯接口及显示模块。偏振光接收模块用于接收自然界的偏振光信息，光电转换及调理模块将接收到的偏振光信号转换为模拟电压信号；信号处理模块控制信号采集模块采集光电转换及调理模块输出的模拟电压信号，再结合实时时钟模块提供的时间信息计算出方位信息，并将该方位信息通过通讯接口进行输出，同时会在LCD上进行显示。本发明的有益效果是结构简单、性能可靠、检测精度高。
文档编号G01C17/34GK101430201SQ200810229778
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月13日 优先权日2008年12月13日
发明者强 张, 褚金奎, 赵开春 申请人:大连理工大学