基于多象限偏振片的天空偏振模式探测方法与系统技术方案

本发明专利技术提供一种天空偏振模式探测系统和探测方法。技术方案一是：天空偏振模式探测系统包括象限数大于等于八的多象限偏振片，手持式光场相机，镜头，多象限偏振片位于镜头的光圈所在平面；多象限偏振片由多个位于同一平面的材料相同的偏振片拼接组成，其中每个偏振片的偏振方向均指向多象限偏振片的中心，或者均垂直于指向多象限偏振片中心的方向。技术方案二是：探测方法包括下述步骤：第一步，利用天空偏振模式探测系统拍摄一幅天空图像，并将天空图像的灰度值转化为目标辐射的光强值。第二步，获得天空偏振度和偏振化方向角。本发明专利技术解决了现有方法在天空偏振模式探测时实时性差和系统结构复杂的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的应用属于天文导航
，涉及一种利用象限数大于等于八的多象限 偏振片和手持式光场相机探测天空偏振模式的方法与系统。
技术介绍
利用天空光的偏振分布信息可以进行导航，它具有抗干扰能力强、成本较低等特 点。为实现精确的天空偏振光导航，需要准确探测天空在较大视场范围内的偏振度和偏振 化方向角信息。通常把偏振度和偏振化方向角信息一起称为偏振模式。目前用于大视场天 空偏振模式探测的方法主要有两种，分别是基于光电二极管的方法和相机成像的方法。基 于光电二极管的方法需要很多个光电二极管指向不同的天区测量，因而系统结构复杂，实 现也较为困难。相机成像的方法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。 总之，在实现大视场天空偏振模式探测时，现有的方法要么实时性差，要么系统结 构复杂。手持式光场相机的出现为实现经过一次成像即可测量大视场天空偏振模式提供了 可能。手持式光场相机是一种在普通相机的光敏感元件前安装有微透镜阵列的新型成像器 件，它由华裔科学家Ren Ng于2005年专利技术。由于微透镜阵列的存在，手持式光场相机在对 天空拍摄时每个微透镜都将某个特定视点下的天区成像为弥散光斑。将该弥散光斑按照不 同区域分割利用，实现天空同一视点不同偏振方向下图像的获取，则可达到一次成像即完 成大视场天空偏振模式探测的目的。
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题是：本专利技术基于一种天空偏振模式探测系统，提供一种天 空偏振模式探测方法。本专利技术通过单个手持式光场相机对大视场天空的一次成像，即实现 了天空偏振模式的探测，用于解决现有方法在天空偏振模式探测时要么因需要多次测量而 使得系统实时性差，要么因需要多套测量单元而导致系统结构复杂的问题。 本专利技术的技术方案一是： -种天空偏振模式探测系统，包括象限数大于等于八的多象限偏振片，手持式光 场相机，镜头，其特征在于，多象限偏振片位于镜头的光圈所在平面。多象限偏振片由多个 位于同一平面的材料相同的偏振片拼接组成，其中每个偏振片的偏振方向均指向多象限偏 振片的中心，或者均垂直于指向多象限偏振片中心的方向。 本专利技术的技术方案二是： -种天空偏振模式探测方法，利用技术方案一提供的天空偏振模式探测系统，具 体包括下述步骤： 第一步，利用天空偏振模式探测系统拍摄一幅天空图像，并将天空图像的灰度值 转化为目标福射的光强值。 第二步，获得天空偏振度和偏振化方向角。 设天空偏振模式探测系统中手持式光场相机的微透镜阵列包括Μ行、N列微透镜； 任意微透镜Lerv η对应的成像圆斑中心的像素在图像坐标系下的坐标为（X % η，Υ& η)，成像圆 斑半径为D个像素，其中D彡5,1 < m < Μ，1 < η < Ν。成像圆斑中心像素坐标中第一个坐 标元素表示像素在图像中的行序号，第二个坐标元素表示像素在图像中的列序号。图像坐 标系约定如下：图像左上角为坐标系的原点，图像中竖直向下的方向为第一个坐标元素的 正向，图像中水平向右的方向为第二个坐标元素的正向。本专利技术中所有微透镜的焦距相同， 尺寸相同，成像圆斑半径也相同。 获得天空图像平面上所有与像素点（Χ^,Υ^)的距离小于等于D个像素的图像区 域，该图像区域为圆形，令其为Gmin。对圆形图像区域Gmin进行Radon变换，选择Radon变换 的投影角度范围为〇度到180度，令Radon变换的投影角度步长为S (S的数值的选择应满 1 $0 足S可整除90的要求），则共有1个投影角度，记它们所组成的投影角度序列为C，C = {0，S，2S，...kXS，...，180}，。针对该投影角度序列C中的任意一个投影角度 kXS，则存在一个该投影角度的Radon变换结果，它是由2D+1个数值组成的序列，记为Rk， 所有投影角度的Radon变换结果序列记为Ra，>查找 Ra中任一序列.中的极大值，记为Rmaxk。则针对所有投影角度得到的所有极 大值序列。在MaxR中查找极大值，结果记为 MaxMaxR，对应该极大值在MaxR中的元素序号记为NmaxR则有序号为NmaxR的元素是在投影角度为NmaxRXS的Radon变换结果中得到的，最终有微透镜Lenmin对应的偏振化方向角Θ n = NmaxR X S。 在Radon变换结果序列Ra中选取序号为K的元素 Κ的值的确定 应判断投影角度的值是否大于90度来定，若大于90度则，若小 于90度则，在^的子序列中查找极小值，记为 MinMinR，其中，□表示四舍五入取整数。微透镜Lervn对应的天区偏振度可计算如下： 对所有的微透镜Len^ . . . Lenm,n. . .，LenMit^$照上述方法进行计算，从而得到 所有微透镜对应视角的天区偏振度矩阵Ρ(Ρ1ι1，...Ρη?ιη，...ΡΜιΝ)和偏振化方向角矩阵 θ (θ^... θηη，... θΜιΝ)。偏振度矩阵P和偏振化方向角矩阵Θ即为需要的天空偏振模 式测量结果。 本专利技术的有益效果是：利用手持式光场相机和在光圈位置加入象限数大于等于八 的多象限偏振片的广角镜头，通过对大视场天空的一次拍摄即得到一幅在任意视角下均包 含多个偏振方向的天空图像，进而通过对获取图像的Radon变换得到天空的偏振度和偏振 化方向角信息。因此，本专利技术基于图像处理的方法，通过单个相机对大视场天空的一次成像 即实现了天空偏振模式的探测，解决了现有方法在天空偏振模式探测时实时性差和系统结 构复杂的问题。【附图说明】 图1为本专利技术提供的天空偏振模式探测系统原理示意图； 图2为具体实施流程图； 图3为十六象限偏振片实物图； 图4为在镜头光圈处插入十六象限偏振片的鱼眼镜头实物图； 图5为天空偏振模式探测系统实物图； 图6为室内实验场景图； 图7为天空偏振模式探测系统在对液晶显示器一次拍摄时获取的图像； 图8为图7局部放大的结果； 图9为一个微透镜对应成像圆斑的Radon变换结果 图10为液晶显示器的偏振化方向角分布的测量结果； 图11为液晶显示器的偏振度分布的测量结果。【具体实施方式】 以下将结合说明书附图对本专利技术做进一步详细说明。 图1为本专利技术提供的天空偏振模式探测系统（以下简称系统）原理示意图。如图 所示，系统包括镜头1，象限数大于等于八的多象限偏振片3,手持式光场相机6。为了尽可 能的获得较大的对天空成像范围，镜头1在本实施实例中建议选用视场角达到180度的鱼 眼镜头。多象限偏振片3位于镜头1的光圈2所在平面。在本实施实例中多象限偏振片 3为圆形，共包括十六个象限。各个象限是位于同一平面的形状为扇形且尺寸相同的偏振 片，每个扇形的张角相同，张角的角度值与象限的数量有关，假设象限数为A，则张角的角度 值为，在本实施实例中由于采用了十六象限偏振片，因此每个象限的扇形张角为22. 5 度。各象限的偏振方向均指向多象限偏振片的中心，或者均垂直于指向多象限偏振片中心 的方向。微透镜阵列4位于镜头1和相机的感光面5之间，微透镜阵列4由许多焦距相同， 尺寸相同的微透本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天空偏振模式探测系统，包括象限数大于等于八的多象限偏振片、手持式光场相机、镜头，其特征在于，多象限偏振片位于镜头的光圈所在平面；多象限偏振片由多个位于同一平面的材料相同的偏振片拼接组成，其中每个偏振片的偏振方向均指向多象限偏振片的中心，或者均垂直于指向多象限偏振片中心的方向。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张文静，曹毓，张烜喆，刘泽金，宁禹，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43