基於大氣偏振模式的太陽方位獲取方法與流程
2023-04-30 02:17:36
本發明涉及一種太陽方位獲取方法，特別涉及一種基於大氣偏振模式的太陽方位獲取方法，屬於仿生偏振光導航領域。
背景技術：
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動物的導航方式非常奇特，其導航機理還沒有被人類完全理解和掌握，仿生導航已成為目前導航技術領域研究的新熱點。許多生物(沙蟻、蝗蟲、蜜蜂、糞金龜、部分鳥類等)，能夠利用它們獨特的眼睛結構，感知並利用光的偏振現象，通過觀測大氣偏振模式，從中提取出太陽的方位信息，實現導航定位。與經典導航技術相比，仿生偏振光導航利用具備自然屬性的天空偏振模式，具有抗幹擾性強、誤差不積累、適用範圍廣等優勢，比較適合複雜環境下的長航時、遠距離的自主導航，對於車輛、船舶、飛行器等領域的應用具有廣泛前景。
目前的偏振光傳感器主要可以分為兩大類：點測量式和圖像測量式。前者一次採樣只能測量一個方向上的偏振信息，容易受到環境的幹擾、魯棒性不強；圖像測量式的偏振光傳感器，可以同時測量視角範圍內的整個區域的偏振信息，應用範圍更廣。使用圖像式偏振光傳感器帶來的一個關鍵問題就是如何利用天空偏振模式的分布規律來獲取太陽方位，進而計算導航方向角。現有的方法主要是利用偏振角模式來估計太陽方位，而忽略了大氣偏振模式中另外一個重要信息——偏振度模式，這將導致對大氣偏振信息的利用不夠充分，目前尚無同時利用大氣偏振角模式和偏振度模式來獲取太陽方位的報導。因此，尋找一種同時利用偏振角模式和偏振度模式這二者所包含的信息來估計太陽方位，進而提高太陽方位估計精度和魯棒性的方法具有十分重要的意義。
技術實現要素：
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本發明要解決的技術問題在於：在從大氣偏振模式獲取太陽方位的過程中，如何充分利用偏振角模式和偏振度模式這二者所包含的信息對太陽方位進行估計，進而提高估計精度和魯棒性。
為解決上述技術問題，本發明提出的解決方案為：
基於大氣偏振模式的太陽方位獲取方法，該方法包括以下步驟：
步驟一，大氣偏振模式測量：
利用一種基於多相機的偏振光傳感器，實時測量一片天空區域的偏振模式，獲得的偏振模式包括偏振角模式和偏振度模式；該偏振光傳感器主要由四個CCD(Charge-Coupled Device)相機、四個廣角鏡頭、四個偏振片組成，偏振片的通光軸方向按照0°、45°、90°、135°的角度安裝；四個相機由同步控制器外觸發採樣，相機採集的數據傳送給計算機進行偏振態解算，以獲得天空的偏振角模式和偏振度模式；
步驟二，基於偏振角模式的太陽方位獲取：
根據瑞利散射模型，散射光的E矢量方向垂直於散射面，即E矢量與太陽方向矢量s相互垂直，即
eTs＝0 (1)
因此，太陽方向矢量可以通過兩個不共線的E矢量估計得到；實際上，偏振態的有效像素點數由圖像的解析度決定，通常情況下有效像素點數大於30萬，且它們對應的E矢量大多數是不相關的；
定義E＝[e1 … eN]3×N，其中N為有效像素點的個數，可以得到
ETs＝0N×1 (2)
實際測量中，由於誤差的存在，太陽方向矢量s的最優估計可以表示為如下的優化問題，
即太陽方向矢量的最優估計為矩陣(EET)的最小特徵值所對應的特徵向量，太陽方向矢量在水平面的投影即為太陽的方位；
步驟三，基於偏振度模式的太陽方位獲取：
大氣偏振度模式沿著太陽子午線呈軸對稱分布，最大的偏振度發生在距離太陽90°的區域，而朝向太陽(或背離太陽)方向的偏振度最小，呈現出如圖3中的帶狀分布，越亮的區域偏振度越大；
為了從大氣偏振度模式中提取出太陽子午線，只需檢測出該模式的對稱軸即可，採用如下步驟：
1)對偏振度模式進行平滑，該步驟是為下面的求梯度過程做預處理，其作用是抑制求梯度時引入的噪聲，可採用中值濾波器或者維納濾波器實現；
2)對平滑後的偏振度模式求梯度，對所有有效點的梯度方向進行統計，求出其概率密度分布(圖4所示)，梯度方向的極大似然估計即為太陽子午線的估計結果，根據太陽子午線的朝向即可獲得太陽的方位；
步驟四，根據實際的應用背景和先驗知識，將這兩種方法的結果進行綜合加權，從而得到太陽方位角的最優估計。
在本發明中，通過以上四個步驟，便可以實現太陽方位的獲取。
與現有的技術相比，本發明具有以下優點：
1)綜合利用一片天空區域的偏振模式，不易受到幹擾，具有更好的環境適應性。
2)同時利用偏振角模式和偏振度模式這二者所包含的信息來估計太陽方位，可以得到更高的估計精度。
附圖說明：
圖1為本發明方法的流程示意圖；
圖2為一階瑞利散射模型原理圖；
圖3為實際測量的大氣偏振度模式(平滑後)及其梯度方向示意圖；
圖4為梯度方向的概率密度分布圖。
具體實施方式：
以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明的基於大氣偏振模式的太陽方位獲取方法，具體包括如下步驟：
步驟一，大氣偏振模式測量：
大氣偏振模式是太陽光經過粒子散射後，所產生的偏振光在天空中形成的特殊分布模式，其具有顯著的分布規律。利用一種基於多相機的偏振光傳感器，實時測量一片天空區域的偏振模式，獲得的偏振模式包括偏振角模式和偏振度模式；該偏振光傳感器主要由四個CCD(Charge-Coupled Device)相機、四個廣角鏡頭、四個偏振片組成，其中，偏振片的通光軸方向按照0°、45°、90°、135°的角度安裝；四個相機由同步控制器外觸發採樣，相機採集的數據傳送給計算機進行偏振態解算，獲得天空的偏振角模式和偏振度模式。
步驟二，基於偏振角模式的太陽方位獲取：
晴朗的天氣條件下，散射粒子主要由大氣分子組成，其尺寸遠小於光的波長，因此可以用一階瑞利散射模型來描述晴朗天氣下大氣散射過程，即散射光的E矢量(光波中的電振動矢量)方向垂直於散射面，如圖2所示。
結合圖2，說明如何從測得的偏振角模式獲取太陽方位。
首先定義如下右手直角坐標系：
相機坐標系(OcXcYcZc)：選擇1號相機作為參考基準，Xc軸和Yc軸分別沿CCD傳感器的橫向和縱向，Zc軸為相機的光軸。系統經過調平後，Zc軸將指向天頂方向。
入射光坐標系(OiXiYiZi)：其Zi軸指向觀測方向，Xi軸位於觀測方向所在的豎直平面(OPP′)內，Yi軸與Xi軸和Zi軸構成右手直角坐標系(Yi軸未標出)。
觀測者的位置處於O，太陽在天球上的位置為S，用天頂角γS和方位角αS來描述，天頂角與高度角互為餘角。
圖像中的每一個像素點(xp,yp)都與天空中的某一觀測方向P相對應，其天頂角和方位角分別為γ和α，對於校正後的圖像，其對應關係可以表示為：
式中，f為焦距，(cx,cy)T為光軸在圖像中的投影的坐標值。
E矢量方向在相機坐標系中可以表示為：
式中，φ為該入射光的偏振角，它可以由圖像式偏振光傳感器直接測量得到，為從坐標系c到坐標系i的方向餘弦矩陣，為
根據瑞利散射模型，散射光的E矢量方向垂直於散射面，即E矢量與太陽方向矢量s相互垂直，即：
eTs＝0 (7)
因此，太陽方向矢量可以通過兩個不共線的E矢量估計得到。實際上，偏振態的有效像素點數由圖像的解析度決定，通常情況下有效像素點數大於30萬，且它們對應的E矢量大多數是不相關的。定義E＝[e1 … eN]3×N，其中N為有效像素點的個數，可以得到：
ETs＝0N×1 (8)
實際測量中，由於誤差的存在，太陽方向矢量s的最優估計可以表示為如下的優化問題：
即太陽方向矢量的最優估計為矩陣(EET)的最小特徵值所對應的特徵向量，太陽方向矢量在水平面的投影即為太陽的方位。
步驟三，基於偏振度模式的太陽方位獲取
根據瑞利散射模型，大氣偏振度模式沿著太陽子午線呈軸對稱分布，最大的偏振度發生在距離太陽90°的區域，而朝向太陽(或背離太陽)方向的偏振度最小，呈現出如圖3中的帶狀分布，越亮的區域代表偏振度越大。
為了從大氣偏振度模式中提取出太陽子午線，只需檢測出該模式的對稱軸即可，結合圖3、圖4說明詳細的步驟：
1)對偏振度模式進行平滑，該步驟是為下面的求梯度過程做預處理，其作用是抑制求梯度時引入的噪聲，可採用中值濾波器或者維納濾波器實現(圖3給出了平滑後的偏振度模式結果)。
2)對平滑後的偏振度模式求梯度，對所有有效點的梯度方向進行統計(圖3中的箭頭方向即梯度方向，箭頭的長度表示梯度的大小)，求出其概率密度分布(如圖4所示)。梯度方向的極大似然估計即為太陽子午線的估計結果，根據太陽子午線的朝向即可獲得太陽的方位。
步驟四，根據實際的應用背景，將這兩種方法的結果進行綜合加權，從而得到太陽方位角的最優估計。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。