一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法。首先利用相机镜头模型及俯仰角、横滚角计算地理坐标系下天顶点可跟踪性判据；对于符合天顶点可跟踪性判据的场景，由水下偏振光强图像求解水下偏振方位角图像及水下偏振度图像；利用俯仰角和横滚角及镜头模型，动态跟踪天顶点在水下偏振方位角图像映射点像素坐标；进而解算具有歧义性的太阳方位角，并根据水下偏振度图像消除歧义性，结合太阳年历计算的地理坐标系下的太阳方位角，求得载体航向。本发明专利技术通过利用了天顶点的偏振信息，减少了折射作用引起的计算误差，降低了计算模型的复杂度，有利用实现水下航向的实时确定。定。定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法


[0001]本专利技术属水下偏振光导航领域，具体涉及一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法。

技术介绍

[0002]昆虫可利用大气偏振光实现自身航向的确定，这为人类自主导航技术的研究带来了灵感，发展出了仿生偏振导航。仿生偏振导航具有自主性强、无误差积累等优势，可作为拒止对抗、电磁干扰的场景下的有效导航手段。然而水下偏振导航的研究尚未得到广泛的关注，但对于水下导航信息更为有限的环境特点，水下偏振光导航将是对水下导航手段的有力补充。
[0003]相比于大气偏振导航，水面的折射、水体散射等光学作用使得水下偏振导航模型更为复杂。如何在复杂的光学作用下从水下偏振分布模式中提取导航信息，是实现水下偏振光导航的前提。文章《An ant
‑
inspired celestial compass applied to autonomous outdoor robot navigation》设计了一种点源式水下偏振光传感器，可用于获取天顶偏振信息，但此传感器仅可放置于水平平台上，传感器一次测量耗时较长，且无法消除偏振歧义性；中国专利技术专利CN201911252040.4提出了一种基于Snell窗内折射偏振光的太阳跟踪方法，通过补偿水面折射作用将获取的水下偏振分布模式反演得到大气偏振分布模式，但该方法要求载体水平放置，同时计算量较大，不利于实时解算，而且利用了鱼眼镜头，存在非线性畸变等误差源。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法，利用俯仰角与横滚角来从水下偏振图像中确定天顶矢量成像坐标，进而得到天顶点处偏振光的偏振方位角，再利用水下偏振度图像信息消除偏振的歧义性，最终结合太阳年历计算的地理坐标系下的太阳方位角实现对航向信息的实时确定。
[0005]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法，其实现步骤如下：（1）利用相机镜头模型Ξ及图像式偏振传感器俯仰角θ和横滚角γ计算地理坐标系天顶点可跟踪性判据，其中，所述地理坐标系为g系；（2）对于符合天顶点可跟踪性判据的场景，由图像式偏振传感器获取水下偏振光强图像P
k
，求解水下偏振方位角图像A及水下偏振度图像D，其中，k为不同检偏方向；（3）利用图像式偏振传感器俯仰角θ和横滚角γ，动态跟踪地理坐标系下天顶点在水下偏振方位角图像A中的映射点像素坐标[m
z
,n
z
]，以该像素为中心确定天顶区域R，利用水下偏振方位角图像A中天顶区域R内像素值获取天顶点偏振方位角p
z
；（4）利用步骤（3）确定的天顶点偏振方位角p
z
，解算具有歧义性的太阳方位角φ
h
′
，并根据步骤（2）得到的水下偏振度图像D消除歧义性得水平坐标系下的太阳方位角φ
h
，结
合太阳年历计算的地理坐标系下的太阳方位角φ
g
，求得载体航向，其中，所述水平坐标系为h系。
[0006]进一步地，所述步骤（1）的具体步骤如下：图像式偏振传感器在使用前先对相机镜头模型Ξ进行标定，通过相机镜头模型确定图像中每个像素点[m,n]在相机坐标系下入射光线传播矢量v
w
，即v
w
=Ξ([m,n])；或者根据相机坐标系下入射光线传播矢量v
w
计算成像像素坐标[m,n]，即[m,n]=round(Ξ
‑1(v
w
))，其中round()表示对括号内所有元素四舍五入取整；同时，通过相机镜头的标定获得镜头视角α；其中，相机坐标系为w系；天顶点可跟踪性判据为，满足此条件则可通过天顶点偏振方位角实现定向。
[0007]进一步地，所述步骤（2）的具体步骤如下：所述检偏方向数量不小于三个，通过三个或三个以上的水下偏振光强图像P
k
，解算水下偏振方位角图像A及水下偏振度图像D；其中水下偏振方位角图像A的每个像素值为水下光场偏振方位角，水下偏振度图像D的像素值为水下光场偏振度；其中，k为不同检偏方向。
[0008]进一步地，所述步骤（3）的具体步骤如下：地理坐标系下天顶矢量在载体坐标系下的表示为：定义相机坐标系与载体坐标系重合，则天顶点处入射光线传播矢量在相机坐标系下表示为；其中，地理坐标系为g系，载体坐标系为b系；天顶点在水下偏振方位角图像A映射点像素随载体姿态动态变化，该点像素坐标[m
z
,n
z
]为：以[m
z
,n
z
]为中心，选取一定像素半径r的区域为天顶区域R，则天顶区域R中的像素坐标[m
R
,n
R
]的条件为：对水下偏振方位角图像A的像素值为该像素点对应入射光线的偏振方位角，其中对天顶区域R内所有像素值p求平均得天顶点偏振方位角：其中表示水下偏振方位角图像A的天顶区域R中每个像素点的偏振方位角
值。
[0009]进一步地，所述步骤（4）的具体步骤如下：由于太阳子午线与天顶偏振E矢量垂直，故由步骤（2）得到的天顶点偏振方位角p
z
计算水平坐标系下具有歧义性的太阳方位角φ
h
′
为：φ
h
′
=p
z
±
90
°
其中，水平坐标系表示为h系；在所述步骤（2）得到的水下偏振度图像D中，以像素[m
z
,n
z
]为圆心，分别在p
z
+90
°
和p
z
−
90
°
两个方向上，以
∆
α为圆心角，以d为半径确定扇形区域SⅠ和SⅡ，判定准则如下：对D中两个扇形区域SⅠ和SⅡ的偏振度求平均得：其中，DⅠ，DⅡ表示水下偏振度图像D中两个扇形区域SⅠ和SⅡ的偏振度均值，NⅠ，NⅡ表示两个扇形区域SⅠ和SⅡ中像素点数量，D
(m,n)
表示水下偏振度图像D像素坐标为[m,n]的点的偏振度；通过两个区域的偏振度均值比较消除歧义性得水平坐标系下的太阳方位角φ
h
：由太阳年历，根据时间与经纬度信息能够得到地理坐标系下的太阳方位角φ
g
，得载体航向为：。
[0010]与现有的技术相比，本专利技术具有以下的优点：本方法有效地利用了天顶处偏振信息，相比与现有技术而言，具有以下优点。1）计算量更小，更有利用实现实时解算；2）天顶点处入射偏振光垂直于水平，不受折射作用影响，原理简单并进一步减小的计算模型的复杂度；3）在图像视野边缘，尤其是鱼眼镜头会存在较大的畸变，利用全视野信息往往会将镜头畸变引入，此方法中地理坐标系下天顶点在图像中成像位置不会较大偏离成像中心像素，进而减小了镜头畸变带来的误差。本专利技术有效地从水下偏振图像中提取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法，其特征实现步骤如下：（1）利用相机镜头模型Ξ及图像式偏振传感器俯仰角θ和横滚角γ计算地理坐标系天顶点可跟踪性判据，其中，所述地理坐标系为g系；（2）对于符合天顶点可跟踪性判据的场景，由图像式偏振传感器获取水下偏振光强图像P
k
，求解水下偏振方位角图像A及水下偏振度图像D，其中，k为不同检偏方向；（3）利用图像式偏振传感器俯仰角θ和横滚角γ，动态跟踪地理坐标系下天顶点在水下偏振方位角图像A中的映射点像素坐标[m
z
,n
z
]，以该像素为中心确定天顶区域R，利用水下偏振方位角图像A中天顶区域R内像素值获取天顶点偏振方位角p
z
；（4）利用步骤（3）确定的天顶点偏振方位角p
z
，解算具有歧义性的太阳方位角φ
h
′
，并根据步骤（2）得到的水下偏振度图像D消除歧义性得水平坐标系下的太阳方位角φ
h
，结合太阳年历计算的地理坐标系下的太阳方位角φ
g
，求得载体航向，其中，所述水平坐标系为h系。2.根据权利要求1所述的一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法，其特征在于：所述步骤（1）的具体步骤如下：图像式偏振传感器在使用前先对相机镜头模型Ξ进行标定，通过相机镜头模型确定图像中每个像素点[m,n]在相机坐标系下入射光线传播矢量v
w
，即v
w
=Ξ([m,n])；或者根据相机坐标系下入射光线传播矢量v
w
计算成像像素坐标[m,n]，即[m,n]=round(Ξ
‑1(v
w
))，其中round()表示对括号内所有元素四舍五入取整；同时，通过相机镜头的标定获得镜头视角α；其中，相机坐标系为w系；天顶点可跟踪性判据为，满足此条件则可通过天顶点偏振方位角实现定向。3.根据权利要求2所述的一种基于天顶点实时跟踪的水下偏振自主航向计算方法，其特征在于：所述步骤（2）的具体步骤如下：所述检偏方向数量不小于三个，通过三个或三个以上的水下偏振光强图像P
k
，解算水下偏振方位角图像A及水下偏振度图像D；其中水下偏振方位角图像A的每个像素值为水下光场偏振方位角，水下偏振度图像D的像素值为水下光场偏振度；其中，k为不同检偏方向。4.根据权利要求3所述的一种基于天顶...

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