偏振光导航传感器ppt课件

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.器结构图
3.偏振光导航传感器程序设计
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偏振光导航传感器的程序设计采用IAR公司的Embedded Workbench for
在晴朗天气下对太阳光的散
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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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1.2 沙漠蚂蚁的导航原理
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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
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
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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
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。
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。
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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
偏振光导航传感器
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引言
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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
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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。
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1.3 偏振光导航传感器理论模型
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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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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。
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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。
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。
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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(DRA).的小眼横切示意图