基于ZYNQ7020的偏振模式檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康健，馬偉，李皓，李沅

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原，030051）

0 引言

太陽光在射入地球大氣層之后受到大氣層中多種空氣成分的散射以及地面、水面等的反射會(huì)形成部分偏振狀態(tài)的偏振光，這些部分偏振光形成的偏振狀態(tài)分布模式會(huì)受太陽位置、大氣成分分布等因素影響。這一特性可以作為利用偏振光進(jìn)行導(dǎo)航的參考依據(jù)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的盧鴻謙等人將偏振光導(dǎo)航引入地磁、管道和衛(wèi)星導(dǎo)航，形成了一種新的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過偏振光導(dǎo)航數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作累積的誤差，取得了更好的導(dǎo)航精度[1-3]。大連理工大學(xué)的褚金奎教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研制了一種納米金屬光柵偏振檢測(cè)器，將其應(yīng)用于船隊(duì)編組中，引入了太陽位置數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)修正天空偏振數(shù)據(jù)[4-7]。清華大學(xué)的趙開春等人制作了多種旋轉(zhuǎn)式偏振檢測(cè)設(shè)備，裝置小巧，并且獲得了不錯(cuò)的精度。

中北大學(xué)的王玉波、劉俊等人基于一種改進(jìn)的偏振角模型，提出了一種三通道偏振成像系統(tǒng)，與常用的點(diǎn)源式測(cè)量方式相比，該方法有更高的解算精度和更寬的視野范圍。

1 天空偏振模式的檢測(cè)方法

太陽光在射入大氣層之后受到各種大氣成分的散射等影響后主要形成的是部分偏振光，所以斯托克斯矢量(Stokes)是大氣偏振探測(cè)領(lǐng)域最常用的測(cè)量方法，可表示為:

在自然環(huán)境中，偏振光的V分量很微弱通常忽略不計(jì)。

DOP為偏振度，可表示為:

設(shè)入射偏振光E-矢量與探測(cè)器參考正方向的夾角為偏振角AOP，可表示為:

則光電轉(zhuǎn)換器件檢測(cè)到的入射光強(qiáng)Iin與Stokes矢量之間本文采用旋轉(zhuǎn)檢偏的方式設(shè)計(jì)并制作了一種單通道偏振光探測(cè)器，相較于多通道點(diǎn)源式檢測(cè)方法能有降低成本和體積，減小裝配對(duì)準(zhǔn)難度的優(yōu)點(diǎn)。

的關(guān)系可表示為:

若θ取0°、45°和90°進(jìn)行光強(qiáng)采集得到偏振度和偏振角的解算公式：

因此只需要利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)線性偏振片來獲得連續(xù)不同角度下光電轉(zhuǎn)換器件檢測(cè)到的光強(qiáng)值，就可以解算出偏振度和偏振角參數(shù)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)采用XILINX ZYNQ7020 Soc芯片作為系統(tǒng)采集控制芯片，以實(shí)現(xiàn)外部高速模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的采集，存儲(chǔ)和機(jī)內(nèi)解算。系統(tǒng)主要分為3部分，3PA1030外部模擬信號(hào)ADC采集模塊、掛載在RS485總線上的高速編碼電機(jī)、采用MP2236和XC6204-332MR芯片為主的電源模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.2 硬件電路模塊

高速高精度AD采集離不開能提供穩(wěn)定工作電壓的電源模塊，設(shè)計(jì)采用MP2236和XC6204-332MR芯片分別提供5V和3.3V電壓。電源模塊原理圖如圖2所示。

圖2 電源模塊電路原理圖

MP2236是一款高頻同步整流降壓開關(guān)電源芯片，有600KHz的開關(guān)頻率，散熱良好的條件下能提供穩(wěn)定6A的輸出電流，適應(yīng)3-18V寬幅輸入電壓。通過改變其中前饋電容和電感C9和L1分別為220pf和3.3uH得到模塊最佳輸出電壓，其輸出3A電流時(shí)紋波為24mV動(dòng)態(tài)響應(yīng)度為76mV。

特瑞仕XC6204-332MR是一款高速線性穩(wěn)壓器(LDO)能提供穩(wěn)定3.3V的ADC供電電壓，滿足系統(tǒng)需要。

2.3 高速AD采集模塊

為了對(duì)外部模擬信號(hào)輸入進(jìn)行高速高精度采集，系統(tǒng)選用瑞恩浦公司生產(chǎn)的3PA1030芯片，輸出引腳為D0～D9，輸出數(shù)據(jù)以二進(jìn)制表示，可提供10bit采樣精度。輸入電壓范圍為0～2V，分辨率可達(dá)2mV，當(dāng)輸入電壓超過量程后，OVR引腳會(huì)拉高。內(nèi)置片內(nèi)采樣保持放大器(SHA)，集成了基準(zhǔn)電壓源不需外接基準(zhǔn)電壓即可工作，其內(nèi)部框圖如圖3所示。

圖3 3PA1030 內(nèi)部框圖

圖4 3PA1030 時(shí)序圖

根據(jù)3PA1030的時(shí)序圖可知，芯片在時(shí)鐘上升沿進(jìn)行采樣，通過ZYNQ7020的時(shí)鐘提供50MHz的輸入時(shí)鐘信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)50MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換速率，AD采集模塊電路原理圖如圖5所示。

圖5 AD采集模塊電路原理圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和偏振模式檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)偏振片高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要得到高精度的偏振片角度信息。系統(tǒng)選用上海光毓機(jī)電公司生產(chǎn)的RMD-S系列編碼電機(jī)，型號(hào)為DM4005，編碼器采用差分信號(hào)傳輸，可以掛載在主控的RS485總線上，可提供0.01°的角度精度，滿足系統(tǒng)需要。

圖6 SD存儲(chǔ)模塊電路原理圖

圖7 LCD顯示模塊電路原理圖

為保證電機(jī)和偏振片旋轉(zhuǎn)時(shí)角速度同步并且旋轉(zhuǎn)順暢，根據(jù)漸開線齒輪參數(shù)方程，如式(5)、式(6)所示，制作了1:1大小的標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪，如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪示意圖

其中rb為基圓半徑。

裝置實(shí)物圖如圖9所示，為了方便裝置日后升級(jí)，在左側(cè)預(yù)留了可裝入偏振相機(jī)的安裝孔位。并且設(shè)計(jì)了不同1/4螺絲孔安裝底座，方便安裝在無人車、無人機(jī)、三維精密轉(zhuǎn)臺(tái)等不同裝載平臺(tái)上。

圖9 偏振模式檢測(cè)裝置

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

將裝置裝載精密三維轉(zhuǎn)臺(tái)上，設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)分別按順時(shí)針、逆時(shí)針方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在室內(nèi)環(huán)境下采集人造偏振光源的偏振信息，設(shè)置裝置電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為360deg/s，ADC采樣率為1MBPS，采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間內(nèi)光電轉(zhuǎn)換器件的電壓值變化情況如圖10所示，曲線趨勢(shì)與理論趨勢(shì)相符。裝置機(jī)內(nèi)解算得到轉(zhuǎn)臺(tái)正反轉(zhuǎn)的角度數(shù)據(jù)如圖11所示，通過與精密轉(zhuǎn)臺(tái)自身角度參數(shù)比較得到裝置在室內(nèi)試驗(yàn)中的誤差曲線如圖12所示。

圖10 一個(gè)周期采集的電壓信號(hào)

圖11 原地正反轉(zhuǎn)解算航向角

圖12 航向角解算誤差

將無人車放置在中北大學(xué)東區(qū)足球場(chǎng)外圍路段，該路段周圍建筑物、樹木遮擋較少，適合進(jìn)行室外采集實(shí)驗(yàn)。設(shè)置無人車按預(yù)定實(shí)驗(yàn)軌跡運(yùn)動(dòng)如圖13所示，采集得到的航向角數(shù)據(jù)如圖15所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)軌跡

圖14 基于偏振光的組合導(dǎo)航無人車

圖15 航向角解算數(shù)據(jù)

從圖15和圖16可以看出，室外實(shí)驗(yàn)時(shí)誤差最大值出現(xiàn)在三次轉(zhuǎn)彎處附近，最大動(dòng)態(tài)誤差為2.61°。該無人車采用獨(dú)立懸掛，加之路面凹凸不平，致使轉(zhuǎn)彎處會(huì)出現(xiàn)較劇烈的車身晃動(dòng)。因此，在采集偏振信息時(shí)，應(yīng)盡量保持采集裝置水平穩(wěn)定，最大限度避免因裝置俯仰角和橫滾角的變化引起的測(cè)量誤差。

圖16 航向角解算誤差

4 結(jié)論

基于ZYNQ7020的高速偏振模式檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)與傳統(tǒng)陣列式和成像式偏振模式檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)應(yīng)用于無人車上，相較后兩種檢測(cè)方式，該系統(tǒng)有采樣率高、體積小、便捷性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，適合與其他導(dǎo)航方式共同為無人系統(tǒng)提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)，為后續(xù)的系統(tǒng)升級(jí)和研究深入打下一定的基礎(chǔ)。