基于水下偏振姿态与折射耦合反演的太阳动态跟踪方法技术

本发明专利技术涉及一种基于水下偏振姿态与折射耦合反演的太阳动态跟踪方法。首先利用水下偏振传感器获取的偏振光强图像解算出水下偏振角图像，并结合水平姿态角确定斯涅尔窗口内成像像素；随后利用两个水平姿态角计算进入水下偏振传感器光线的水下折射角，将斯涅尔窗口内水下偏振角图像转换为大气“8”字偏振角图像，进而从中提取太阳子午线，并以此为界将大气“8”字偏振角图像分为两个区域；最后分别利用两个区域的像素解算的大气的偏振E

【技术实现步骤摘要】
基于水下偏振姿态与折射耦合反演的太阳动态跟踪方法


[0001]本专利技术属水下自主导航领域，具体涉及一种基于水下偏振姿态与折射耦合反演的太阳动态跟踪方法。

技术介绍

[0002]仿生偏振光导航是受昆虫感知大气偏振光来确定自身航向行为启发的新型导航手段，具有全自主、无误差累积等优势，目前在大气环境中已经得到了广泛的研究，而将偏振光导航应用于水下的研究尚处在起步阶段。偏振光之所以能够提供导航信息，是由于其包含了太阳信息，因此偏振光导航的基本思路往往是通过获取的偏振信息来解算太阳位置，进而再通过太阳实现导航能力。
[0003]基于偏振光求解太阳位置是利用偏振光实现导航的前提。中国专利技术专利CN201410652332.8利用大气偏振分布模式，通过聚类分析方法解算太阳位置；中国专利技术专利CN201710027484.2利用大气的偏振E
‑
矢量建立太阳矢量最优估计阵来求解太阳位置信息；中国专利技术专利CN201810592616.0提出一种基于大气偏振度的太阳位置解算方法。但在水下环境中，偏振光从大气透射入水的过程中，会在水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水下偏振姿态与折射耦合反演的太阳动态跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1）、利用水下偏振传感器获取的偏振光强图像P
k
解算出水下偏振角图像I，并结合俯仰角θ和横滚角γ两个水平姿态角确定斯涅尔窗口内成像像素，其中k为检偏方向；步骤（2）、利用两个水平姿态角计算进入水下偏振传感器光线的水下折射角r，通过补偿折射作用将水下斯涅尔窗内的偏振角图像I
in
反演计算，得到大气“8”字偏振角图像I
in8
；步骤（3）、在步骤（2）得到的大气“8”字偏振角图像I
in8
中提取太阳子午线，并以太阳子午线为界将I
in8
分为两个区域pⅠ与pⅡ；步骤（4）、利用步骤（3）得到的大气“8”字偏振角图像I
in8
中pⅠ与pⅡ两个区域的像素，解算大气的偏振E
‑
矢量及偏振度，根据大气的偏振E
‑
矢量与太阳矢量垂直关系求解太阳矢量。2.根据权利要求1所述的基于水下偏振姿态与折射耦合反演的太阳动态跟踪方法，其特征在于：所述步骤（1）的具体步骤如下：定义水平坐标系，载体俯仰角和横滚角分别为θ和γ，则载体坐标系与水平坐标系之间的坐标转换矩阵表示为：其中，水平坐标系为h系，载体坐标系为b系；水下偏振角图像I中每个像素坐标(m,n)在b系下的观测矢量l
b
由相机镜头模型Θ反演得：l
b
=Θ(m,n)则观测矢量在h系下表示为：水下偏振角图像I中满足的像素判定为在斯涅尔窗口内部，得到水下斯涅尔窗内的偏振角图像I
in
；其中l
h
(*)表示为l
h
的第*个元素，n
a
与n
w
分别表示大气和水下的折射率。3.根据权利要求2所述的基于水下偏振姿态与折射耦合反演的太阳动态跟踪方法，其特征在于：所述步骤（2）的具体步骤如下：水下斯涅尔窗内的偏振角图像I
in
每个像素的值，为该点观测方向上大气的偏振E
‑
矢量与图像零位之间夹角α，其中，α的范围为；由步骤（1）得到的成像像素的观测矢量为l
h
，则该成像像素的水下的“8”字偏振方位角χ
u
为：χ
u
=α
−
arctan2(l
h
(2),l
h
(1))观测矢量l
h
方向上的入射光线在水下的折射角r为：
那么大气入射光线的“8”字偏振方位角χ
a
为：同时计算得大气入射光线传播矢量：将该方向大气入射光线直接通过相机镜头成像，成像像素坐标(m
a
,n
a
)为：其中round(*)表示将*四舍五入取整运算；由此得到以(m

【专利技术属性】
技术研发人员：杨健，胡鹏伟，野召斌，郭雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：