[发明专利]一种传感器的机械结构及该传感器

说明书

本发明公开了一种新型传感器的机械结构及该传感器，可用于飞行器的姿态控制，广义上也可属于一种太阳传感器。具体地，是一种新型的成像式偏振光导航传感器，该传感器由滤光片、圆锥镜和CMOS传感器组成。其中的圆锥镜材料折射率及圆锥面与底面之间的夹角经过严格的结构设计和计算得到；并采用分辨率较高的CMOS传感器接收透过圆锥镜的偏振光。本发明结构简单、实时性好、测量精度高，在偏振光方位角测量和偏振光导航方面有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于传感器结构设计领域，特别涉及一种基于圆锥镜的结构设计的偏振光方位角测量传感器。

背景技术

当前导航系统可以分为以卫星导航为代表的非自主导航技术，以及惯性导航、地磁导航和天文导航等自主导航技术。卫星导航经过长时间的发展，技术比较成熟，应用也最为广泛，导航精度高，具有全球定位能力，但它易受干扰，容易失去信号。惯性导航自主能力强，精度高，但它的误差随时间积累，所以需要经常校准。地磁导航具有误差不随时间积累、隐蔽性强的优点，但它易受外界磁场干扰，精度有限。天文导航是借助天体作为导航基准，通过接受天体的福射信号获得导航信息，具有隐蔽性强、无累积误差、抗干扰能力强的优点，但它计算量大，造价昂贵。偏振光导航作为一种新型导航技术，具有无累积误差、自主性强、不易受外界干扰且系统简单等优点，不仅具有单独完成导航定位功能的潜能，还可以与其他导航传感器实现组合导航，保证导航的准确性。

偏振光导航作为一种新型导航技术，因其具有无累积误差、自主性强、不易受外界干扰且系统简单等优点，受到越来越多学者的关注。

偏振光导航方法的研究始于国外对沙蚁等生物的研究。国外的研究侧重于生物偏振行为的发现，机理的探索以及所对应的生物结构特征。针对沙蚁等生物的行为和生理学的研究，设计仿生偏振光导航传感器和导航平台，验证和实现沙蚁等生物导航行为的仿生过程。1986年，Labhart和Meyer在解剖实验中发现生物复眼DRA区域中小眼的小网膜细胞上微线毛相互垂直形成了偏振正交特性，产生了偏振对立单元，增强了对天空中偏振信息的感知能力；2010年，Javaan和Akiko仿照蜻蜓的复眼结构设计了位姿平衡传感器和偏振光导航传感器，并在飞行模型上对传感器的导航性能进行了静态和动态测试实验；2012年，Wolfgang研究组用相机代替分立的偏振光导航传感器，在飞行平台上测试了传感器的性能，完成对全天域大气偏振模式信息的获取过程。国内，偏振光导航研究主要集中在偏振光导航传感器的研制和大气偏振模式的建模与仿真等方面。其中，褚金奎课题组最早对天空大气偏振模式进行建模仿真和探测，并设计点源式偏振光传感器；2007年，卢红谦课题组将偏振光导航方法与惯导和天文导航相结合，构成组合导航系统，进行了仿真。综上所述，偏振光导航传感器主要分为成像式和点源式。其中，成像式传感器借助于广角镜头可对大视场的天空区域直接成像，但是为了测量偏振模式需要获得多幅不同偏振方向下的天空图像，这往往需要通过一个相机多次拍摄或者多个相机同时拍摄两种途径来实现，前一实现途径实时性不强，后一实现途径会导致系统结构复杂；点源式传感器是基于多路偏振光敏感元件和光电二极管集成，对天空中某一点偏振光进行探测，能够实现实时性，由于是多路传感器，导致传感器结构复杂，导航精度受到限制。

现有技术中公开的专利号：(CN 103115623A)，以偏振光导航技术为核心的定位技术，无法实现实时定位，该技术方案需要测量不同时刻的偏振光角度传感器最大偏振方向，才能解算经纬度，同时暗含了一个要求，即前后两次测量载体位置不能变化。该技术不能实时给出位置信息，而且时间间隔过短时，给出的位置信息的可靠性和准确性会显著下降。方向传感器即电子罗盘在使用时需要结合地理位置来获得磁偏角数据信息，才能给出真北方向。

发明内容

基于现有技术的特点及不足，特设计发明了本传感器，本传感器可以对天空中某一点成像，根据光强分布直接得到该点偏振光方位角，其结构简单，实时性好，测量精度高。