一种使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法技术

本发明专利技术公开了一种使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法，提供了一种像素坐标系下的偏振角视觉调制模型，并给出出了一种利用太阳方位区域的定向策略；本发明专利技术将水平姿态角引入至像素坐标系下的偏振角中，并利用分离点以及图像主点实现定向

【技术实现步骤摘要】
一种使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法


[0001]本专利技术属于导航
，具体为一种使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法
。

技术介绍

[0002]通过探测
AOP/DOP
在天球上形成的规则图案，可以实现被动式
、
无累计误差的精确导航
。
目前普遍认为在任何天气下，从地面或近地面观测天空中的
AOP
模式在性质上均是相同的
。
正是由于
AOP
模式的这种鲁棒性，利用
AOP
导航的方法被认为拥有巨大的潜力
。
一般来说，按照探测器件的不同，可将仿生偏振导航方法分为基于光电二极管的点源式偏振导航方法与基于图像偏振计的成像式偏振导航方法两种
。
基于光电二级管的点源式偏振导航方法需要使用额外的传感器来解决太阳模糊的问题
。
在这类方法下，想要实现大视场角的探测也不得不使用复杂的机械结构以及较长的扫描时间
。
以这种方法得到的偏振角，每一个像素点拥有单独的坐标系，即入射光坐标系
。
此外，这种导航方式由于其视野较小，十分容易受到天气
、
遮挡物等干扰
。
[0003]为解决上述问题，利用图像偏振计的成像式偏振导航方法被提出
。
然而，十分遗憾的是，目前，利用图像偏振计的偏振导航方法缺少理论模型
。
此外，成像式偏振导航方法主要从入射光坐标系下偏振角入手，像素系下偏振角研究较少
。
更加关键的是，缺少倾斜姿态下的像素系偏振导航方法
。
而无法解决倾斜姿态下的定向问题，同样会严重制约成像式偏振导航方法的应用，在晴空下，这种导航误差已经被认为是偏振导航方法最大的误差来源
。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了解决现有的导航定向方法在倾斜条件下无法利用像素坐标系下的偏振角进行导航定向的问题，本专利技术提供一种使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法
。
[0005]技术方案：一种使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一
、
利用图像偏振计探测四通道偏振图像，根据四通道偏振图像计算得到偏振角
[0007]步骤二
、
获取太阳高度角与太阳方位角，获取观测点高度角与观测点方位角，利用像素坐标系理论偏振角模型，将入射光坐标系下的偏振角转换成像素坐标系下的偏振角，建立出偏振角的理论模型，忽略量测噪声，所得偏振角即为由四通道偏振图像计算得到的偏振角，通过偏振角的理论模型得到偏振角与太阳方位角之间的关系式；
[0008]步骤三
、
利用区域生长模型对偏振角进行太阳方位区域提取，初始生长点设置为图像主点，在初始生长点对当前偏振角图像进行区域生长，并计算生长后的二值图像；利用图像形态学的操作对生长后的二值图像进行过滤，计算过滤后的二值图像的质心，根据所述质心更新种子线，并将更新后的种子线作为下一帧偏振角图像太阳方位区域提取的起始生长点；
[0009]步骤四
、
根据更新后的种子线计算第一大致太阳方位角沿着太阳方向，将太阳方向二值图像划分为等视场角图像块，利用等视场角图像块计算第二大致太阳方位角所有量测太阳方位角表示为：根据计算得到太阳方位角的最优估计优估计
C
为使达到最小值时的待求量；
[0010]通过惯性导航系统计算得到水平姿态角，设绝对航向角为
ψ
，根据所有量测太阳方位角及其最优估计计算得到绝对航向角
ψ
：
[0011][0012]其中，代表载体坐标系下的太阳方位角
。
[0013]进一步地，所述步骤一中，设偏振角为偏振角的计算公式为：
[0014][0015]其中
I(*)
表示
*
方向偏振强度
。
[0016]进一步地，所述步骤二中，入射光坐标系下偏振角表示为：
[0017][0018]其中，
h
s
、A
s
为太阳高度角与太阳方位角，
h
p
与
A
p
为观测点高度角与观测点方位角；
[0019]将入射光坐标系下偏振角转换至像素坐标系下，则像素坐标系下偏振角可表示为：
[0020][0021]式中：
[0022][0023]其中：
[0024][0025][0026]式中
sc
为视场角，
rl
为分辨率，
(x
p
，
y
p
)
为像素坐标系中像素点位置，为像素坐标系中图像主点坐标；
[0027]对化简得：
[0028][0029]其中：
[0030][0031]取观测方向为太阳方向，则上式简化为：
[0032][0033]引入三轴姿态角，同理得，像素坐标系下偏振角：
[0034][0035]其中：
[0036][0037][0038][0039][0040][0041]式中，上角标
b
表示载体坐标系；
[0042]同理，沿着太阳方向简化上式：
[0043][0044]其中，表示载体坐标系下的太阳方位角
。
[0045]进一步地，所述步骤三中，生长后的二值图像
B
AOP
(i
，
j)
的计算方法为：
[0046][0047]其中，
i
，
j
为像素点的宽和高，
RG
代表区域生长模型
。
[0048]进一步地，所述步骤三中，对生长后的二值图像进行过滤采用图像形态学的收缩和清除操作，过滤后的二值图像
B
SR
(i
，
j)
表示为：
[0049]B
SR
(i
，
j)
＝
C(S(B
AOP
(i
，
j)))
ꢀꢀꢀ
(18)。
[0050]进一步地，所述步骤三中，过滤后二值图像的质心计算方法为：
[0051][0052]其中：
[0053][0054]x
s
、y
s
分别表示质心的横纵坐标，
m
pq
代表
p、q
取值下与
B
SR
(i
，
j)
的计算值，
p
，
q∈0
，1，
m
10
代表
p
为
1、q
为0时的计算值；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一
、
利用图像偏振计探测四通道偏振图像，根据四通道偏振图像计算得到偏振角步骤二
、
获取太阳高度角与太阳方位角，获取观测点高度角与观测点方位角，利用像素坐标系理论偏振角模型，将入射光坐标系下的偏振角转换成像素坐标系下的偏振角，建立出偏振角的理论模型，忽略量测噪声，所得偏振角即为由四通道偏振图像计算得到的偏振角，通过偏振角的理论模型得到偏振角与太阳方位角之间的关系式；步骤三
、
利用区域生长模型对偏振角进行太阳方位区域提取，初始生长点设置为图像主点，在初始生长点对当前偏振角图像进行区域生长，并计算生长后的二值图像；利用图像形态学的操作对生长后的二值图像进行过滤，计算过滤后的二值图像的质心，根据所述质心更新种子线，并将更新后的种子线作为下一帧偏振角图像太阳方位区域提取的起始生长点；步骤四
、
根据更新后的种子线计算第一大致太阳方位角沿着太阳方向，将太阳方向二值图像划分为等视场角图像块，利用等视场角图像块计算第二大致太阳方位角所有量测太阳方位角表示为：根据计算得到太阳方位角的最优估计
C
为使达到最小值时的待求量；通过惯性导航系统计算得到水平姿态角，设绝对航向角为
ψ
，根据所有量测太阳方位角及其最优估计计算得到绝对航向角
ψ
：其中，代表载体坐标系下的太阳方位角
。2.
根据权利要求1所述的使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法，其特征在于，所述步骤一中，设偏振角为偏振角的计算公式为：其中
I(*)
表示
*
方向偏振强度
。3.
根据权利要求1或2所述的使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法，其特征在于，所述步骤二中，入射光坐标系下偏振角表示为：其中，
h
s
、A
s
为太阳高度角与太阳方位角，
h
p
与
A
p
为观测点高度角与观测点方位角；将入射光坐标系下偏振角转换至像素坐标系下，则像素坐标系下偏振角可表示为：式中：
其中：其中：式中
sc
为视场角，
rl
为分辨率，
(x
p
，
y
p
)
为像素坐标系中像素点位置，为像素坐标系中图像主点坐标；对化简得：其中：取观测方向为太阳方向，则上式简化为：引入三轴姿态角，同理得，像素坐标系下偏振角：其中：其中：其中：其中：其中：式中，上角标
b
表示载体坐标系；同理，沿着太阳方向简化上式：其中，表示载体坐标系下的太阳方位角
。4.
根据权利要求1或2所述的使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法，其特征在于，所述步骤三中，生长后的二值图像
B
AOP
(i
，
j)
的计算方法为：其中，
i
，
j
为像素点的宽和高，
RG
代表区域生长模型
。5.
根据权利要求4所述的使用太阳方位区域的大气偏振光定向方法，其特征在于，所述
步骤三中，对生长后的二值图像进行过滤采用图像形态学的收缩和清除...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，吴新冬，申冲，曹慧亮，唐军，王晨光，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：