[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明为解决技术问题采取如下技术方案：

本发明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，θ_T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，θ_s为太阳的天顶角，为太阳的方位角，令太阳的高度角h_s＝90°-θ_s；则利用式(1)得到天空球面中任意一点处的偏振角α_T：

步骤1.2：利用式(2)得到散射光的偏振度P：

P＝P_maxsin²γ_T/(1+cos²γ_T) (2)

式(2)中，P_max表示最大偏振度；γ_T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＝f tanω (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：