一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法及系统，该方法在利用偏振特性实现水下定位过程中，使用水下偏振模式作为导航参考罗盘进行水下定位。首先获取多个偏振方向的水下天空图像，采用维纳滤波结合BRDF模型对图像进行去噪预处理，然后采用暗通道先验原理和偏振特性对水下物理成像模型中的水下透射率、无穷远处水下背景光强以及后向散射光进行估算，实现水下图像复原，接着设计一种偏振感知模型计算水下偏振模式，最后根据水下偏振模式提取出太阳子午线位置，结合太阳方位角解算出水下方位信息。本发明专利技术可以保证在复杂水环境下通过偏振图像去噪和复原提高偏振信息的准确性，使得水下航行器能够稳定可靠的进行无源导航定位任务。的进行无源导航定位任务。的进行无源导航定位任务。

【技术实现步骤摘要】
一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法及系统


[0001]本专利技术属于水下定位导航领域，涉及一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法及系统，具体的是指通过图像去噪后，基于暗通道先验和偏振特性对图像复原，采用偏振感知模型得到水下偏振模式，利用其中的太阳子午线位置信息获取方位信息。

技术介绍

[0002]导航系统是自主式水下航行器自主完成水下探测任务的关键技术。在海洋资源探测、目标识别、定位与通信等方面的研究中发挥着重要的作用，由于其特殊的任务要求，需要较长时间的潜航和水下待命，且随着航行范围的不断增加，其导航系统需要具有精度高、稳定性好、持续性好和风险低等特点。目前水下导航系统有惯性导航系统、卫星导航系统、无线电导航系统、天文导航系统和地磁导航系统等。其中惯性导航更新率高，短期精度，稳定性好，缺点为定位误差随时间积累并且每次使用前初始对准时间较长。卫星导航靠无线电波进行工作，战时易受攻击，动态特性也不如惯性导航系统。而天文导航不受电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好，定向、定位精度高但会受云层及气象条件的限制，很难用于现实场景的应用。近年来，偏振导航技术逐渐成为研究热点，其仅依赖于环境中的偏振光信息，具有不易受外界干扰、体积小、集成度高、成本低、误差不随时间积累等优点，为水下导航与定位提供了新的思路。
[0003]由于自然水下环境中的偏振光源主要来自于天空光，所以水下光线的偏振特性与天空光偏振特性具有密切关系，包含了可用于导航定位的位置信息。因此，通过研究水下偏振光的分布模式，将仿生偏振导航传感器应用于水下具有可行性。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术目的在于提供一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法及系统，仅仅依赖环境中的偏振光信息就可以有效地完成自主式水下航行器的定位应用，且具有不易受外界干扰、隐蔽性好、计算成本低、误差不随时间累计等优点，与其他导航方式组合可以解决目前存在的诸多问题。
[0005]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法，主要包括如下步骤：
[0007](1)获取水下多个偏振方向的天空图像，使用维纳滤波结合BRDF模型对天空偏振图像进行去噪处理，提高水下偏振图像的质量；
[0008](2)以水下物理成像模型为背景，采用暗通道先验原理和偏振特性对水下成像模型中的透射率、无穷远处水下背景光强和后向散射光进行估算，实现水下偏振图像复原；
[0009](3)对于复原后的偏振图像，基于偏振对立感知模型获取偏振信息，计算水下偏振模式，所述偏振对立感知模型采用权重因子调控水下偏振模式的信息熵，以获得最优水下偏振模式；
[0010](4)提取水下偏振模式中的太阳子午线位置，结合太阳方位角，解算水下航行器方
位信息。
[0011]作为优选，所述步骤(1)中使用维纳滤波结合BRDF模型对天空偏振图像进行去噪处理，包括：采用维纳滤波对图像的模糊和噪声进行处理，通过点扩散(PSF)函数描述图像的模糊过程以及功率谱密度(PSD)函数分析纹理特征和频域性质，以去除图像噪声，恢复原始图像的细节信息；使用双向反射分布函数(BRDF)模型估算水下环境中光线的传播过程，计算光线在水下环境中的散射情况，然后将计算得到的散射信息用于维纳滤波过程中校正水下图像，以消除水下散射导致的图像模糊噪声。
[0012]作为优选，所述步骤(2)中采用暗通道先验原理和偏振特性对水下成像模型中的透射率、无穷远处水下背景光强、后向散射光进行估算，实现水下偏振图像复原，包括如下步骤：
[0013](2.1)根据暗通道先验原理估算水下成像物理模型中的透射率和无穷远处水下背景光强，以3x3窗口对图像进行暗通道处理，寻找一个在当前像素的局部区域内最暗的像素，得到暗通道图像；在暗通道图像中选取最亮的前1％的像素点位置，取它们的最大窗口平均像素值对应的原始图像的光强作为无穷远处水下背景光强；利用估计的无穷远处水下背景光强和图像总光强，根据暗通道原理，估计当前像素所在窗口中的最小透射率，解算出图像的全局透射率。
[0014](2.2)基于偏振信息估计各像素点的后向散射光。光强信息对偏振度影响较大，为了抑制透射光对偏振信息的影响，选择偏振角作为参数估计，在偏振角图中选取出现概率最大的偏振角，筛选出该偏振角的像素位置对应的偏振度，选择最大值作为后向散射光偏振度，进而求解出图像的后向散射光；
[0015](2.3)根据估算出的水下透射率、无穷远处水下背景光强和后向散射光，结合水下物理成像模型得到复原后的偏振图像。
[0016]作为优选，水下偏振图像复原的公式为：
[0017][0018]其中，(x，y)表示图像像素坐标，L(x，y)表示复原后图像，I(x，y)表示待复原图像的总光强，t(x，y)表示水下透射率，A
∞
表示无穷远处水下背景光，I
s
(x，y)表示图像的散射光成分，其公式为I
s
(x，y)＝A
∞
(1
‑
t(x，y))。
[0019]作为优选，所述步骤(3)中基于偏振对立感知模型计算水下偏振模式，包括如下步骤：
[0020](3.1)设计一种偏振感知模型，分别采集四个偏振方向(0
°
、45
°
、90
°
、135
°
)的天空图像(I0°
，I
45
°
，I
90
°
，I
135
°
)，相互垂直的角度之间的偏振光组成一组偏振通道，并对各偏振通道前添加权重因子，用于偏振通道的增强和抑制，以求解水下天空图像的偏振信息，即水下偏振模式；
[0021](3.2)以自适应优化方式求解最优权重因子，以求解水下偏振模式图的最优信息熵，首先设定初始权重因子、水下偏振模式图的信息熵，然后根据当前的权重因子计算信息熵，接着更新权重因子，如果当前状态的图像信息熵大于前一状态的图像信息熵，则更新权重因子，否则权重因子以固定步长增长，直到选取出最优信息熵对应的权重因子，得到具有最优信息熵的水下偏振模式。
[0022]作为优选，所述步骤(4)中根据水下偏振模式提取太阳子午线的位置，结合太阳方位角进行水下定位解算，包括如下步骤：
[0023](4.1)根据水下偏振模式提取出太阳子午线，得到太阳子午线与体轴的夹角；
[0024](4.2)通过太阳历计算出太阳方位角；
[0025](4.3)建立水下空间坐标系与太阳子午线的关系模型，根据提取出的太阳子午线位置和太阳方位角信息，计算水下载体方位信息。
[0026]基于相同的专利技术构思，本专利技术提供一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位系统，包括：偏振图像检测处理模块，用于获取水下多个偏振方向的天空图像，使用维纳滤波结合BRD本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取水下多个偏振方向的天空图像，使用维纳滤波结合BRDF模型对天空偏振图像进行去噪处理；(2)以水下物理成像模型为背景，采用暗通道先验原理和偏振特性对水下成像模型中的透射率、无穷远处水下背景光强和后向散射光进行估算，实现水下偏振图像复原；(3)对于复原后的偏振图像，基于偏振对立感知模型获取偏振信息，计算水下偏振模式，所述偏振对立感知模型采用权重因子调控水下偏振模式的信息熵，以获得最优水下偏振模式；(4)提取水下偏振模式中的太阳子午线位置，结合太阳方位角，解算水下航行器方位信息。2.根据权利要求1所述的一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中使用维纳滤波结合BRDF模型对天空偏振图像进行去噪处理，包括：采用维纳滤波对图像的模糊和噪声进行处理，通过点扩散(PSF)函数描述图像的模糊过程以及功率谱密度(PSD)函数分析纹理特征和频域性质，以去除图像噪声，恢复原始图像的细节信息；使用双向反射分布函数(BRDF)模型估算水下环境中光线的传播过程，计算光线在水下环境中的散射情况，然后将计算得到的散射信息用于维纳滤波过程中校正水下图像，以消除水下散射导致的图像模糊噪声。3.根据权利要求1所述的一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用暗通道先验原理和偏振特性对水下成像模型中的透射率、无穷远处水下背景光强、后向散射光进行估算，实现水下偏振图像复原，包括如下步骤：(2.1)根据暗通道先验原理估算水下成像物理模型中的透射率和无穷远处水下背景光强，以3x3窗口对图像进行暗通道处理，寻找一个在当前像素的局部区域内最暗的像素，得到暗通道图像；在暗通道图像中选取最亮的设定比例的像素位置，取它们的窗口平均像素值的最大值对应的原始图像的光强作为无穷远处水下背景光强；利用估计的无穷远处水下背景光强和图像总光强，根据暗通道原理估计像素所在窗口中的最小透射率，得到图像的全局透射率；(2.2)基于偏振信息估计各像素点的后向散射光，在偏振角图中选取出现概率最大的偏振角，筛选出该偏振角的像素位置对应的偏振度，选择最大值作为后向散射光偏振度，进而求解出图像的后向散射光；(2.3)根据估算出的水下透射率、无穷远处水下背景光强和后向散射光，结合水下物理成像模型得到复原后的偏振图像。4.根据权利要求1所述的一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法，其特征在于，水下偏振图像复原的公式为：或者其中，(x，y)表示图像像素坐标，L(x，y)表示复原后图像，I(x，y)表示待复原图像的总光强，t(x，y)表示水下透射率，A
∞
表示无穷远处水下背景光强，I
s
(x，y)表示图像的散射光成分，有I
s
(x，y)＝A
∞
(1
‑
t(x，y))。5.根据权利要求1所述的一种基于偏振特性与天空图像复原的水下定位方法，其特征
在于，所述步骤(3)中基于偏振对立感知模型计算水下偏振模式，包括如下步骤：(3.1)设计一种偏振感知模型，分别采集四个偏振方向(0
°
、45
°
、90
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、135
°
)的天空图像(I0°
，I
45
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，I
90
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，I
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【专利技术属性】
技术研发人员：王慧斌，阚冯平，陈哲，沈洁，刘海韵，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：