基于大气偏振模式的太阳方位获取方法技术

本发明专利技术属于仿生偏振光导航领域，公开了基于大气偏振模式的太阳方位获取方法。首先，利用图像式的偏振光传感器测量大气偏振模式，包括偏振角模式和偏振度模式；其次，根据偏振角模式建立太阳方向矢量的优化方程，通过求解矩阵的特征向量实现太阳方向矢量的最优估计，其在水平面的投影即为太阳方位；与此同时，将偏振度模式进行平滑后求梯度，根据梯度方向的概率密度分布估计出太阳子午线，即可获得太阳的方位；最后，将这两种方法的结果进行综合加权，得到太阳方位角的最优估计。本发明专利技术在不增加硬件结构的条件下，充分利用了偏振角模式和偏振度模式这二者所包含的信息对太阳方位进行估计，具有原理简单、估计精度高、鲁棒性好的优点。

Solar azimuth acquisition method based on atmospheric polarization model

The invention belongs to the field of bionic polarized light navigation, and discloses a method for obtaining the solar azimuth based on the atmospheric polarization mode. First of all, using polarized light sensor to measure the atmospheric polarization pattern images, including polarization angle mode and polarization mode; secondly, according to the optimization equation of polarization angle model of the direction of the sun vector, the feature vector of the matrix to achieve the optimal direction of the sun vector estimation in the horizontal plane projection is the solar azimuth; at the same time, the the degree of polarization mode of the smoothed gradient, according to the estimated probability density distribution of the sun radial gradient direction, you can get the position of the sun; finally, the results of the two methods were integrated to obtain the optimal weighting, sun azimuth estimation. The present invention without increasing the hardware structure, make full use of the solar azimuth estimation of polarization angle mode and polarization mode of the two contains information, has simple principle, high estimation accuracy and good robustness of.

【技术实现步骤摘要】
基于大气偏振模式的太阳方位获取方法
：本专利技术涉及一种太阳方位获取方法，特别涉及一种基于大气偏振模式的太阳方位获取方法，属于仿生偏振光导航领域。
技术介绍
：动物的导航方式非常奇特，其导航机理还没有被人类完全理解和掌握，仿生导航已成为目前导航
研究的新热点。许多生物(沙蚁、蝗虫、蜜蜂、粪金龟、部分鸟类等)，能够利用它们独特的眼睛结构，感知并利用光的偏振现象，通过观测大气偏振模式，从中提取出太阳的方位信息，实现导航定位。与经典导航技术相比，仿生偏振光导航利用具备自然属性的天空偏振模式，具有抗干扰性强、误差不积累、适用范围广等优势，比较适合复杂环境下的长航时、远距离的自主导航，对于车辆、船舶、飞行器等领域的应用具有广泛前景。目前的偏振光传感器主要可以分为两大类：点测量式和图像测量式。前者一次采样只能测量一个方向上的偏振信息，容易受到环境的干扰、鲁棒性不强；图像测量式的偏振光传感器，可以同时测量视角范围内的整个区域的偏振信息，应用范围更广。使用图像式偏振光传感器带来的一个关键问题就是如何利用天空偏振模式的分布规律来获取太阳方位，进而计算导航方向角。现有的方法主要是利用偏振角模式来估计太阳方位，而忽略了大气偏振模式中另外一个重要信息——偏振度模式，这将导致对大气偏振信息的利用不够充分，目前尚无同时利用大气偏振角模式和偏振度模式来获取太阳方位的报道。因此，寻找一种同时利用偏振角模式和偏振度模式这二者所包含的信息来估计太阳方位，进而提高太阳方位估计精度和鲁棒性的方法具有十分重要的意义。
技术实现思路
：本专利技术要解决的技术问题在于：在从大气偏振模式获取太阳方位的过程中，如何充分利用偏振角模式和偏振度模式这二者所包含的信息对太阳方位进行估计，进而提高估计精度和鲁棒性。为解决上述技术问题，本专利技术提出的解决方案为：基于大气偏振模式的太阳方位获取方法，该方法包括以下步骤：步骤一，大气偏振模式测量：利用一种基于多相机的偏振光传感器，实时测量一片天空区域的偏振模式，获得的偏振模式包括偏振角模式和偏振度模式；该偏振光传感器主要由四个CCD(Charge-CoupledDevice)相机、四个广角镜头、四个偏振片组成，偏振片的通光轴方向按照0°、45°、90°、135°的角度安装；四个相机由同步控制器外触发采样，相机采集的数据传送给计算机进行偏振态解算，以获得天空的偏振角模式和偏振度模式；步骤二，基于偏振角模式的太阳方位获取：根据瑞利散射模型，散射光的E矢量方向垂直于散射面，即E矢量与太阳方向矢量s相互垂直，即eTs＝0(1)因此，太阳方向矢量可以通过两个不共线的E矢量估计得到；实际上，偏振态的有效像素点数由图像的分辨率决定，通常情况下有效像素点数大于30万，且它们对应的E矢量大多数是不相关的；定义E＝[e1…eN]3×N，其中N为有效像素点的个数，可以得到ETs＝0N×1(2)实际测量中，由于误差的存在，太阳方向矢量s的最优估计可以表示为如下的优化问题，即太阳方向矢量的最优估计为矩阵(EET)的最小特征值所对应的特征向量，太阳方向矢量在水平面的投影即为太阳的方位；步骤三，基于偏振度模式的太阳方位获取：大气偏振度模式沿着太阳子午线呈轴对称分布，最大的偏振度发生在距离太阳90°的区域，而朝向太阳(或背离太阳)方向的偏振度最小，呈现出如图3中的带状分布，越亮的区域偏振度越大；为了从大气偏振度模式中提取出太阳子午线，只需检测出该模式的对称轴即可，采用如下步骤：1)对偏振度模式进行平滑，该步骤是为下面的求梯度过程做预处理，其作用是抑制求梯度时引入的噪声，可采用中值滤波器或者维纳滤波器实现；2)对平滑后的偏振度模式求梯度，对所有有效点的梯度方向进行统计，求出其概率密度分布(图4所示)，梯度方向的极大似然估计即为太阳子午线的估计结果，根据太阳子午线的朝向即可获得太阳的方位；步骤四，根据实际的应用背景和先验知识，将这两种方法的结果进行综合加权，从而得到太阳方位角的最优估计。在本专利技术中，通过以上四个步骤，便可以实现太阳方位的获取。与现有的技术相比，本专利技术具有以下优点：1)综合利用一片天空区域的偏振模式，不易受到干扰，具有更好的环境适应性。2)同时利用偏振角模式和偏振度模式这二者所包含的信息来估计太阳方位，可以得到更高的估计精度。附图说明：图1为本专利技术方法的流程示意图；图2为一阶瑞利散射模型原理图；图3为实际测量的大气偏振度模式(平滑后)及其梯度方向示意图；图4为梯度方向的概率密度分布图。具体实施方式：以下将结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术的基于大气偏振模式的太阳方位获取方法，具体包括如下步骤：步骤一，大气偏振模式测量：大气偏振模式是太阳光经过粒子散射后，所产生的偏振光在天空中形成的特殊分布模式，其具有显著的分布规律。利用一种基于多相机的偏振光传感器，实时测量一片天空区域的偏振模式，获得的偏振模式包括偏振角模式和偏振度模式；该偏振光传感器主要由四个CCD(Charge-CoupledDevice)相机、四个广角镜头、四个偏振片组成，其中，偏振片的通光轴方向按照0°、45°、90°、135°的角度安装；四个相机由同步控制器外触发采样，相机采集的数据传送给计算机进行偏振态解算，获得天空的偏振角模式和偏振度模式。步骤二，基于偏振角模式的太阳方位获取：晴朗的天气条件下，散射粒子主要由大气分子组成，其尺寸远小于光的波长，因此可以用一阶瑞利散射模型来描述晴朗天气下大气散射过程，即散射光的E矢量(光波中的电振动矢量)方向垂直于散射面，如图2所示。结合图2，说明如何从测得的偏振角模式获取太阳方位。首先定义如下右手直角坐标系：相机坐标系(OcXcYcZc)：选择1号相机作为参考基准，Xc轴和Yc轴分别沿CCD传感器的横向和纵向，Zc轴为相机的光轴。系统经过调平后，Zc轴将指向天顶方向。入射光坐标系(OiXiYiZi)：其Zi轴指向观测方向，Xi轴位于观测方向所在的竖直平面(OPP′)内，Yi轴与Xi轴和Zi轴构成右手直角坐标系(Yi轴未标出)。观测者的位置处于O，太阳在天球上的位置为S，用天顶角γS和方位角αS来描述，天顶角与高度角互为余角。图像中的每一个像素点(xp,yp)都与天空中的某一观测方向P相对应，其天顶角和方位角分别为γ和α，对于校正后的图像，其对应关系可以表示为：式中，f为焦距，(cx,cy)T为光轴在图像中的投影的坐标值。E矢量方向在相机坐标系中可以表示为：式中，φ为该入射光的偏振角，它可以由图像式偏振光传感器直接测量得到，为从坐标系c到坐标系i的方向余弦矩阵，为根据瑞利散射模型，散射光的E矢量方向垂直于散射面，即E矢量与太阳方向矢量s相互垂直，即：eTs＝0(7)因此，太阳方向矢量可以通过两个不共线的E矢量估计得到。实际上，偏振态的有效像素点数由图像的分辨率决定，通常情况下有效像素点数大于30万，且它们对应的E矢量大多数是不相关的。定义E＝[e1…eN]3×N，其中N为有效像素点的个数，可以得到：ETs＝0N×1(8)实际测量中，由于误差的存在，太阳方向矢量s的最优估计可以表示为如下的优化问题：即太阳方向矢量的最优估计为矩阵(EET)的最小特征值所对应的特征向量，太阳方向矢量在水平面的投影即为太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于大气偏振模式的太阳方位获取方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，大气偏振模式测量：利用一种基于多相机的偏振光传感器，实时测量一片天空区域的偏振模式，获得的偏振模式包括偏振角模式和偏振度模式；步骤二，基于偏振角模式的太阳方位获取：根据瑞利散射模型，散射光的E矢量方向垂直于散射面，即E矢量与太阳方向矢量s相互垂直，即e

【技术特征摘要】
1.基于大气偏振模式的太阳方位获取方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，大气偏振模式测量：利用一种基于多相机的偏振光传感器，实时测量一片天空区域的偏振模式，获得的偏振模式包括偏振角模式和偏振度模式；步骤二，基于偏振角模式的太阳方位获取：根据瑞利散射模型，散射光的E矢量方向垂直于散射面，即E矢量与太阳方向矢量s相互垂直，即eTs＝0(1)因此，太阳方向矢量可以通过两个不共线的E矢量估计得到；实际上，偏振态的有效像素点数由图像的分辨率决定，通常情况下有效像素点数大于30万，且它们对应的E矢量大多数是不相关的；定义E＝[e1…eN]3×N，其中N为有效像素点的个数，可以得到ETs＝0N×1(2)实际测量中，由于误差的存在，太阳方向矢量s的最优估计可以表示为如下的优化问题，

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉杰，张礼廉，胡小平，练军想，何晓峰，
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