基于成像理论的大气偏振模式的建立及其畸变程度分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于成像理论的大气偏振模式建模方法，其步骤包括：1根据瑞利模型，构建大气偏振模式；2分析大气偏振模式在相似成像理论和实际采集的非相似成像理论情况下的差异；3分析获取大气偏振模式的偏振成像系统的光路传输特性；4根据偏振成像系统的光路传输特性，构建一种基于成像理论的大气偏振模式建模方法；5根据该模型计算出大气偏振模式经过偏振成像系统后的畸变程度。本发明专利技术能够实现不同成像系统、不同太阳位置以及不同观测位置等条件下，实际天空中的大气偏振模式的合理描述，对偏振数据解算精度有所帮助，也为建立更准确的可解析的大气偏振模式表征模型提供了新思路。

Establishment of atmospheric polarization mode based on imaging theory and analysis method of its distortion degree

The invention discloses a modeling method of atmospheric polarization mode based on imaging theory, the steps of which include: 1. Constructing atmospheric polarization mode according to Rayleigh model; 2. Analyzing the difference of atmospheric polarization mode between similar imaging theory and actual acquisition of non similar imaging theory; 3. Analyzing the optical path transmission characteristics of polarization imaging system of atmospheric polarization mode; 4. Constructing atmospheric polarization mode according to polarization imaging system Based on the characteristics of optical transmission, a modeling method of atmospheric polarization mode based on imaging theory is constructed. 5. The degree of distortion of atmospheric polarization mode after passing through polarization imaging system is calculated according to the model. The invention can realize the reasonable description of the atmospheric polarization mode in the actual sky under the conditions of different imaging systems, different sun positions, different observation positions, etc., which is helpful for the precision of the polarization data solution, and also provides a new idea for establishing a more accurate and analyzable representation model of the atmospheric polarization mode.

【技术实现步骤摘要】
基于成像理论的大气偏振模式的建立及其畸变程度分析方法
本专利技术涉及一种基于成像理论的大气偏振模式的建模及其畸变程度分析方法，属于光学遥感研究领域。
技术介绍
太阳光进入大气层后，在传输的过程中受到大气的散射、吸收等作用发生了偏振，进一步形成了具有稳定分布的天空偏振模式。这种天空偏振模式蕴含的偏振信息可以作为不同动物导航信息来源，例如沙蚁，蝗虫，蜜蜂等生物能够利用其独特的复眼结构感知天空偏振模式，为其提供准确的罗盘信息，从而实现导航能力。仿生偏振光导航是一种以生物高度敏感的偏振视觉感知为基础的自主导航方法，这种方法通过对大气偏振模式的检测和演算来实现导航信息的获取。为了获取全天域的大气偏振模式，采集系统前加装了鱼眼镜头。然而目前的大气偏振模式表征模型并没有充分地描述经过成像系统畸变后的这一过程。尤其是忽略了鱼眼镜头对偏振特性光路的改变，这在很大程度上造成了大气偏振模型的不精确，从而导致理论模型与实际大气偏振模式的采集结果相差甚大。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术存在的不足之处，提供一种基于成像理论的大气偏振模式的建立及其畸变程度分析方法，以期能在大气偏振模式中更准确的提取可用于偏振光导航的信息，从而实现更精确的自主导航。本专利技术为解决技术问题采取如下技术方案：本专利技术一种基于成像理论的大气偏振模式建立方法的特点是按如下步骤进行：步骤1：根据瑞利模型，构建大气偏振模式；步骤1.1：以观测者位置为原点O，以向着天顶点的方向为Z轴，以正东方向为X轴，以正北方向为Y轴，建立球形空间坐标系OXYZ；令天空球面上任意一点为其中，r是天空球面的半径，θT是点T的天顶角，是点T的方位角；令太阳在天空球面上的空间位置为其中，θs为太阳的天顶角，为太阳的方位角，令太阳的高度角hs＝90°-θs；则利用式(1)得到天空球面中任意一点处的偏振角αT：步骤1.2：利用式(2)得到散射光的偏振度P：P＝Pmaxsin2γT/(1+cos2γT)(2)式(2)中，Pmax表示最大偏振度；γT为散射光在点T处的散射角度，并有：步骤2：将天空球面近似为“物在无限远处”，从而利用式(4)得到物体在无限远时成像高度的理想像高度y0：y0＝ftanω(4)式(4)中，f代表鱼眼镜头焦距，ω代表镜头的半视场角；步骤3：分析各个大气偏振模式下的光路传输特性；步骤3.1：利用式(5)得到等距成像模式下成像高度y0与镜头的半视场角ω的关系式：y0＝fω(5)步骤3.2：利用式(6)得到等立体角成像模式下成像高度y0与镜头的半视场角ω的关系式：步骤3.3：利用式(7)得到体视成像模式下成像高度y0与镜头的半视场角ω的关系式：步骤4：各个成像模式下构建大气偏振模式：步骤4.1：在等距成像模式下构建大气偏振模式：在所述球形空间坐标系OXYZ中，令T′代表鱼眼镜头等距成像模式下，点T投影到二维平面OXY上的点，令点T的高度角hT＝90°-θT，其中θT等于点T所在镜头的半视场角ω；利用式(8)得到天空球面上任意一点在等距成像模式下的空间坐标T(xT,yT,zT)：步骤4.2：由式(1)和式(8)得到式(9)：由式(3)和式(8)得到式(10)：步骤4.3：利用式(11)得到天空球面上任意一点在等立体角成像模式的空间坐标T(xT,yT,zT)：步骤4.4：由式(1)和式(10)得到式(11)：由式(3)和式(10)得到式(12)：步骤4.5：利用式(13)得到天空球面上任意一点在体视成像模式下的空间坐标T(xT,yT,zT)：步骤4.6：由式(1)和式(13)得到式(14)：由式(3)和式(13)得到式(15)：本专利技术所述的基于成像理论的大气偏振模式建立方法的畸变程度分析方法的特点是按如下步骤进行：步骤5.1：利用式(16)和式(17)得到等距成像模式下的径向放大率βr和切向放大率βt：βr＝f(16)步骤5.2：利用式(18)和式(19)得到等立体角成像模式下的径向放大率βr和切向放大率βt：步骤5.3：利用式(20)和式(21)得到体视成像模式下的径向放大率βr和切向放大率βt：与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、目前学术界缺少有效的考虑由成像系统引起的大气偏振模式畸变的技术方法，本专利技术从成像角度上分析了理论模型与实际检测的差异，实现了大气偏振模式与成像系统结合，充分地考虑了由成像系统引起的畸变，能够更合理地描述实际天空中的大气偏振模式分布，丰富了大气偏振模式建模的方法研究，对建立更准确的可解析的大气偏振模式表征模型提供了重要的理论意义，对偏振数据解算的准确性和导航精度有应用价值。2、本专利技术考虑了大气分子散射作用引起的天空光偏振特性，光路进入成像系统后的畸变效应，理论模型与实际采集结果的差异等因素，能适用于不同成像系统采集到的大气偏振模式模拟，具有良好的应用适用性。3、本专利技术首次定量分析了三种成像模式下大气偏振模式经过成像系统后的畸变程度。大气偏振模式在三种成像系统下的二维表征具有不同的畸变量，且受到天顶角的调控，可为建立更准确的可解析的大气偏振模式表征模型提供理论依据。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为本专利技术中高度角为0°方位角为90°时等距成像模式下的偏振化方向角；图3为本专利技术中高度角为0°方位角为90°时等距成像模式下的偏振度；图4为本专利技术中高度角为0°方位角为90°时等立体角成像模式下的偏振化方向角；图5为本专利技术中高度角为0°方位角为90°时等立体角成像模式下的偏振度；图6为本专利技术中高度角为0°方位角为90°时体视成像模式下的偏振化方向角；图7为本专利技术中高度角为0°方位角为90°时体视成像模式下的偏振度；图8为本专利技术中大气偏振模式上一微小面元与像平面上的对应关系。具体实施方式本实施例中，如图1所示，一种基于成像理论的大气偏振模式建模方法能够实现不同成像系统、不同太阳位置以及不同观测位置等条件下，实际天空中的大气偏振模式的合理描述，对偏振数据解算精度有所帮助，也为建立更准确的可解析的大气偏振模式表征模型提供了新思路。具体的说是按如下过程进行：步骤1：根据瑞利模型，构建大气偏振模式；步骤1.1：以观测者位置为原点O，以向着天顶点的方向为Z轴，以正东方向为X轴，以正北方向为Y轴，建立球形空间坐标系OXYZ；令天空球面上任意一点为其中，r是天空球面的半径，θT是点T的天顶角，是点T的方位角；令太阳在天空球面上的空间位置为其中，θs为太阳的天顶角，为太阳的方位角，令太阳的高度角hs＝90°-θs；则利用式(1)得到天空球面中任意一点处的偏振角αT：步骤1.2：利用式(2)得到散射光的偏振度P：P＝Pmaxsin2γT/(1+cos2γT)(2)式(2)中，Pmax表示最大偏振度(理论值为1，晴朗天空下实际值约为0.7)；γT为散射光在点T处的散射角度，并有：步骤2：将天空球面近似为“物在无限远处”，从而利用式(4)得到物体在无限远时成像高度的理想像高度y0：y0＝ftanω(4)在普通光学系统，成像遵循相似成像理论，即当物体在近距离处，成像高度与物体实际高度遵循式(5)：y0＝βy(5)式(4)中，f代表鱼眼镜头焦距，ω代表镜头的半视场角，在式(5)中，β代表横向放大率，为一定值，y代表实际物体高度，f代表鱼眼镜头焦距。在实际通过拍摄天本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于成像理论的大气偏振模式建立方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1：根据瑞利模型，构建大气偏振模式；步骤1.1：以观测者位置为原点O，以向着天顶点的方向为Z轴，以正东方向为X轴，以正北方向为Y轴，建立球形空间坐标系OXYZ；令天空球面上任意一点为

【技术特征摘要】
1.一种基于成像理论的大气偏振模式建立方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1：根据瑞利模型，构建大气偏振模式；步骤1.1：以观测者位置为原点O，以向着天顶点的方向为Z轴，以正东方向为X轴，以正北方向为Y轴，建立球形空间坐标系OXYZ；令天空球面上任意一点为其中，r是天空球面的半径，θT是点T的天顶角，是点T的方位角；令太阳在天空球面上的空间位置为其中，θs为太阳的天顶角，为太阳的方位角，令太阳的高度角hs＝90°-θs；则利用式(1)得到天空球面中任意一点处的偏振角αT：步骤1.2：利用式(2)得到散射光的偏振度P：P＝Pmaxsin2γT/(1+cos2γT)(2)式(2)中，Pmax表示最大偏振度；γT为散射光在点T处的散射角度，并有：步骤2：将天空球面近似为“物在无限远处”，从而利用式(4)得到物体在无限远时成像高度的理想像高度y0：y0＝ftanω(4)式(4)中，f代表鱼眼镜头焦距，ω代表镜头的半视场角；步骤3：分析各个大气偏振模式下的光路传输特性；步骤3.1：利用式(5)得到等距成像模式下成像高度y0与镜头的半视场角ω的关系式：y0＝fω(5)步骤3.2：利用式(6)得到等立体角成像模式下成像高度y0与镜头的半视场角ω的关系式：步骤3.3：利用式(7)得到体视成像模式下成像高度y0与镜头的半视场角ω的关系式：步骤4：各个成像模式下构建...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昕，孙少波，杨天，高隽，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34