[发明专利]基于大气偏振模式的太阳方位获取方法

说明书

本发明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。

技术领域：

本发明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。

背景技术：

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技术领域研究的新热点。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。

发明内容：

本发明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，本发明提出的解决方案为：

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-Coupled Device)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

e^Ts＝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 … e_N]_3×N，其中N为有效像素点的个数，可以得到

E^Ts＝0_N×1 (2)