CN110231025B - 一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法及系统，偏振光罗盘捷联式安装在载体上，包括相机、偏振件与广角镜头，在载体移动过程中通过相机拍摄观测图像，通过对观测图像进行图像分析以获得当前载体在导航坐标系中的航向角，具体包括如下步骤：获得观测图像中入射光的偏振信息；根据入射光偏振信息，结合相机的俯仰角和滚动角，获得入射光E矢量的偏振方向；根据入射光E矢量的偏振方向获得最佳太阳子午线方向；获取当前的时间、位置信息，并根据天文年历，获得太阳方位角；根据太阳方位角和最佳太阳子午线方向，计算出载体在导航坐标系中的航向角。能够在偏振光罗盘水平姿态角变化的情况下也能精确、快速、鲁棒地估算载体航向角。

Description

一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法及系统

技术领域

本发明涉及一种载体航向角的估计方法，具体是一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法及系统。

背景技术

航向信息在自主导航过程中至关重要。就小型无人平台而言，惯性导航系统是最常用的自主导航方式，具有抗干扰性强、导航信息完全、实时性强等优势，但定位定向误差随时间积累；视觉/惯性组合仍属于递推式的导航方法，仅能在一定程度上抑制航向的发散；磁罗盘可以提供航向信息，但其易受环境磁场干扰。近年来，随着对生物导航机理的探索，基于自然偏振特性的仿生偏振光导航得到了学者们的广泛关注。

偏振光定向技术借鉴生物敏感偏振光的能力，模仿生物复眼结构测量大气偏振模式，实现载体航向信息的获取，从而进行导航定位，具有抗干扰性强、误差不随时间积累、适用范围广等优势。基于图像式偏振测量的偏振光罗盘，可以同时提取视角范围内整个天空区域的偏振角和偏振度信息。目前关于偏振光导航的研究主要在传感器水平放置的情况下，没有考虑光罗盘捷联式的安装在载体上时导致的水平姿态角变化。因此，寻找一种在偏振光罗盘捷联式安装在动态载体条件下，如何精确、快速、鲁棒地估计载体航向角的方法具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法系统。

其采用的技术方案是：

一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法，所述偏振光罗盘为图像式偏振光传感器且捷联式安装在载体上，所述偏振光罗盘包括相机、偏振件与广角镜头，所述偏振件位于相机的镜头与广角镜头之间，在载体移动过程中通过相机拍摄观测图像，这里的观测图像指的是相机拍摄视场中的景观图像，随着载体的移动而实时变化；通过对观测图像进行图像分析以获得当前载体在导航坐标系中的航向角，其中，所述偏振件为微阵列式偏振片，具体包括成阵列分布的偏振测量单元，每一个偏振测量单元都包含呈田字形分布的0°、45°、90°和135°四个方向的偏振片，每一个偏振测量单元中的每一个偏振片与相机的像元一一对应，其中，相机的每四个像元响应一束入射光。

具体包括如下步骤：

步骤101，从观测图像中获得观测图像中入射光的偏振信息，偏振光罗盘可以测得入射光透过偏振片的光强，基于光强信息计算入射光的偏振角和偏振度：

用STOKES向量来表示部分偏振光，STOKES向量包含四个参数S＝[S₀,S₁,S₂,S₃]，其中，S₀表示总的光强度，S₁是0°方向的偏振光分量，S₂是45°方向的偏振分量，S₃是圆偏振分量，由于大多数情况下圆偏振分量可以忽略，在偏振探测中认为S₃≡0，则偏振光透过方向为θ的偏振片后的光强为：

当θ分别取0°、45°、90°和135°时，通过偏振光罗盘测得入射光透过对应的偏振片时的光强I(0°)、I(45°)、I(90°)和I(135°)，使得STOKES向量可以通过下式求得：

S₁＝I(0°)-I(90°)

S₂＝I(45°)-I(135°)

进而获得包含有偏振角和偏振度发的入射光的偏振信息：

式中，DoLP表示入射光的偏振度，AoP表示入射光的偏振角。

步骤102，根据入射光偏振信息，结合相机的俯仰角和滚动角，获得入射光E矢量的偏振方向，其中，相机的俯仰角和滚动角通过微惯导来获得：

获得向量

在相机坐标系下的表达式，为：

其中，点O表示相机坐标系与水平参考坐标系的原点；点P为观测点，表示入射光与天球的交点，且每一束入射光对应的观测点P与观测图像中一个偏振测量单元的中心像素(x_p,y_p)对应，因此在已知相机的焦距f_c的前提下，观测点P在相机坐标系下的天顶角γ_c和方位角α_c为：

式中，(x_c,y_c)表示相机的光轴在观测图像中的坐标；

获得向量

在水平参考坐标系下的的表达式，为：

其中，

δ和θ分别为相机的滚动角和俯仰角；

获得入射光E矢量的偏振方向φ，为：

式中，

和

分别为矢量

的第一个元素和第二个元素。

步骤103，根据入射光E矢量的偏振方向获得最佳太阳子午线方向：

获得入射光在入射光坐标系下的E矢量，为：

获得入射光在水平参数坐标系下的E矢量，为：

其中，γ表示观测点P在水平参考坐标系下的天顶角，α表示观测点P在水平参考坐标系下的方位角；

获得天顶点在观测图像中的位置(x_zenith,yzenith)，其中，天顶点为载体正上方的观测点，以(x_zenith,y_zenith)为中心，半径为L的圆型区域建立瑞利散射模型：

观测点P在水平参考坐标系下的天顶角为γ，通过下式得到：

其中

为矢量

的第三个元素，最小的天顶角|γ||值对应的像素点即为天顶在偏振图像中的位置，可以通过下式得到：

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，太阳方向矢量可以通过两个不相关的E矢量估计得到，定义，

N为有效像素点的个数，可以得到：

E^Ts＝0

其中，

s为太阳方向矢量；

太阳矢量的最优估计可以表示为如下的优化问题：

其中，与EE^T最小特征值对应的特征向量为太阳矢量的最优估计，通过E的奇异值分解(SVD)，得到EE^T的特征向量和特征值；

假设e_λ是EE^T最小特征值对应特征向量，然后太阳矢量方向在水平方向的投影，也即最佳太阳子午线方向α_s为：

其中，e_λ1和e_λ2分别是矢量e_λ中第一个元素和第二个元素。

步骤104，获取当前的时间、位置信息，并根据天文年历，获得太阳方位角；

步骤105，根据太阳方位角和最佳太阳子午线方向，计算出载体在导航坐标系中的航向角：

式中，

为载体在导航坐标系中的航向角，

为太阳方位角，α_s为最佳太阳子午线方向。

一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明提供的一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法系统，通过偏振光罗盘捷联式安装在载体上，使得偏振光罗盘中相机的拍摄角度随着载体的移动而改变，进而获得不同拍摄角度的观测图像，并在后续的图像分析过程中结合相机的俯仰角和滚动角获得入射光E矢量的偏振方向，进而通过入射光E矢量的偏振方向获得最佳太阳子午线方向，最终得到载体在导航坐标系中的航向角，能够在偏振光罗盘水平姿态角变化的情况下也能精确、快速、鲁棒地估算载体航向角。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为偏振光罗盘组成和结构示意图；

图3为光罗盘倾斜时相机坐标系和水平参考坐标系示意图；

图4为一阶瑞利散射模型原理图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1所示的一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法，偏振光罗盘捷联式安装在载体上，包括图像式偏振光传感器与微惯导；偏振光罗盘包括CCD相机、偏振件与广角镜头，偏振件位于CCD相机的镜头与广角镜头之间，用于在载体移动过程中通过CCD相机拍摄观测图像；微惯导与CCD相机相连，用于获得CCD相机的俯仰角和滚动角，即水平姿态角。

通过对观测图像进行图像分析以获得当前载体在导航坐标系中的航向角，其中，偏振件为微阵列式偏振片，具体包括成阵列分布的偏振测量单元，每一个偏振测量单元都包含呈田字形分布的0°、45°、90°和135°四个方向的偏振片，每一个偏振测量单元中的每一个偏振片与CCD相机的像元一一对应，其中，CCD相机的每四个像元响应一束入射光。

观测图像分析的过程具体包括如下步骤：

步骤101，从观测图像中获得观测图像中入射光的偏振信息，偏振光罗盘可以测得入射光透过偏振片的光强，基于光强信息计算入射光的偏振角和偏振度：

用STOKES向量来表示部分偏振光，STOKES向量包含四个参数S＝[S₀,S₁,S₂,S₃]，其中，S₀表示总的光强度，S₁是0°方向的偏振光分量，S₂是45°方向的偏振分量，S₃是圆偏振分量，由于大多数情况下圆偏振分量可以忽略，在偏振探测中认为S₃≡0，则偏振光透过方向为θ的偏振片后的光强为：

当θ分别取0°、45°、90°和135°时，通过偏振光罗盘测得入射光透过对应的偏振片时的光强I(0°)、I(45°)、I(90°)和I(135°)，使得STOKES向量可以通过下式求得：

S₁＝I(0°)-I(90°)

S₂＝I(45°)-I(135°)

进而获得包含有偏振角和偏振度发的入射光的偏振信息：

式中，DoLP表示入射光的偏振度，AoP表示入射光的偏振角。

步骤102，根据入射光偏振信息，结合CCD相机的俯仰角和滚动角，获得入射光E矢量的偏振方向：

如图2所示，首先定义如下右手直角坐标系：

相机坐标系(OX_cY_cZ_c)：O为图像平面的中心，X_c轴和Y_c轴分别沿CCD相机的横向和纵向，Z_c轴为载体的光轴，若CCD相机水平放置，Z_c轴指向天顶方向；

水平参考坐标系(OX_lY_lZ_l)：Z_l轴指向天顶方向，X_l轴先后旋转俯仰角和滚动角后与X_c轴重合，Y_l与X_l轴和Z_l轴构成右手直角坐标系，若CCD相机水平放置，X_l轴和Y_l轴分别与X_c轴和Y_c轴重合，当CCD相机沿Z_l轴旋转时，水平参考系旋转相应的角度。

入射光坐标系(PX_iY_iZ_i)：其Z_i轴指向观测方向，X_i轴位于观测方向所在的竖直平面(OPP′)内，Y_i轴与X_i轴和Z_i轴构成右手直角坐标系(Y_i轴未标出)；

假设观测者处于位置O，天空中的观测点为P，表示入射光与天球的交点。观测点P在载体坐标系下的天顶角和方位角分别为γ和α，入射光的E矢量偏振方向为φ。

相机坐标系相对于水平参考坐标系中观测点P对应的向量

在相机坐标系下的表示为：

其中，点O表示相机坐标系与水平参考坐标系的原点；点P为观测点，且每一束入射光对应的观测点P与观测图像中一个偏振测量单元的中心像素(x_p,y_p)对应，因此在已知CCD相机的焦距f_c的前提下，观测点P在相机坐标系下的天顶角γ_c和方位角α_c为：

式中，(x_c,y_c)表示相机的光轴在观测图像中的坐标；

获得向量

在水平参考坐标系下的的表达式，为：

其中，

δ和θ分别为相机的滚动角和俯仰角；

获得入射光E矢量的偏振方向φ，为：

式中，

和

分别为矢量

的第一个元素和第二个元素。

步骤103，根据入射光E矢量的偏振方向获得最佳太阳子午线方向：

如图3所示，太阳在天球上的位置为S，太阳天顶角为γ_S，载体坐标系下太阳方位角α_S，图中中N轴为地理真北，导航坐标系下太阳方位角为

获得入射光在入射光坐标系下的E矢量，为：

获得入射光在水平参数坐标系下的E矢量，为：

其中，γ表示观测点P在水平参考坐标系下的天顶角，α表示观测点P在水平参考坐标系下的方位角；

获得天顶点在观测图像中的位置(x_zenith,y_zenith)，其中，天顶点为载体正上方的观测点，以(x_zenith,y_zenith)为中心，半径为L的圆型区域建立瑞利散射模型：

观测点P在水平参考坐标系下的天顶角为γ，通过下式得到：

其中

为矢量

的第三个元素，最小的天顶角|γ||值对应的像素点即为天顶在偏振图像中的位置，可以通过下式得到：

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，太阳方向矢量可以通过两个不相关的E矢量估计得到，定义，

N为有效像素点的个数，可以得到：

E^Ts＝0

其中，

s为太阳方向矢量；

太阳矢量的最优估计可以表示为如下的优化问题：

其中，与EE^T最小特征值对应的特征向量为太阳矢量的最优估计，通过E的奇异值分解(SVD)，得到EE^T的特征向量和特征值；

假设e_λ是EE^T最小特征值对应特征向量，然后太阳矢量方向在水平方向的投影，也即最佳太阳子午线方向α_s为：

其中，e_λ1和e_λ2分别是矢量e_λ中第一个元素和第二个元素。

步骤104，获取当前的时间、位置信息，并根据天文年历，获得太阳方位角；

步骤105，根据太阳方位角和最佳太阳子午线方向，计算出载体在导航坐标系中的航向角：

式中，

为载体在导航坐标系中的航向角，

为太阳方位角，α_s为最佳太阳子午线方向。

其中，步骤104与步骤105均为常规操作，因此在本实施例中不作赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法，其特征在于，所述偏振光罗盘包括图像式偏振光传感器且捷联式安装在载体上，所述偏振光罗盘包括相机、偏振件与广角镜头，所述偏振件位于相机的镜头与广角镜头之间，在载体移动过程中通过相机拍摄观测图像，通过对观测图像进行图像分析以获得当前载体在导航坐标系中的航向角，所述偏振光罗盘还包括与相机相连的微惯导，以用于获取相机的滚动角和俯仰角，具体包括如下步骤：

步骤101，从观测图像中获得观测图像中入射光的偏振信息；

步骤102，根据入射光偏振信息，结合相机的俯仰角和滚动角，获得入射光E矢量的偏振方向，具体包括：

获得向量

在相机坐标系下的表达式，为：

其中，点O表示相机坐标系与水平参考坐标系的原点；点P为观测点，表示入射光与天球的交点，且每一束入射光对应的观测点P与观测图像中一个偏振测量单元的中心像素(x_p,y_p)对应，因此在已知相机的焦距f_c的前提下，观测点P在相机坐标系下的天顶角γ_c和方位角α_c为：

式中，(x_c,y_c)表示相机的光轴在观测图像中的坐标；

获得向量

在水平参考坐标系下的表达式，为：

其中，

δ和θ分别为相机的滚动角和俯仰角；

获得入射光E矢量的偏振方向φ，为：

式中，

和

分别为

的第一个元素和第二个元素；

步骤103，根据入射光E矢量的偏振方向获得最佳太阳子午线方向；

步骤104，获取当前的时间、位置信息，并根据天文年历，获得太阳方位角；

步骤105，根据太阳方位角和最佳太阳子午线方向，计算出载体在导航坐标系中的航向角。

2.根据权利要求1所述基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法，其特征在于，所述偏振件为微阵列式偏振片，具体包括成阵列分布的偏振测量单元，每一个偏振测量单元都包含呈田字形分布的0°、45°、90°和135°四个方向的偏振片，每一个偏振测量单元中的每一个偏振片与相机的像元一一对应，其中，相机的每四个像元响应一束入射光。

3.根据权利要求2所述基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法，其特征在于，步骤101具体包括：

用STOKES向量来表示部分偏振光，STOKES向量包含四个参数S＝[S₀,S₁,S₂,S₃]，其中，S₀表示总的光强度，S₁是0°方向的偏振光分量，S₂是45°方向的偏振分量，S₃是圆偏振分量，忽略圆偏振分量以使S₃≡0，则偏振光透过方向为θ的偏振片后的光强为：

当θ分别取0°、45°、90°和135°时，通过偏振光罗盘测得入射光透过对应的偏振片时的光强I(0°)、I(45°)、I(90°)和I(135°)，使得STOKES向量通过下式求得：

S₁＝I(0°)-I(90°)

S₂＝I(45°)-I(135°)

进而获得入射光的偏振信息：

式中，DoLP表示入射光的偏振度，AoP表示入射光的偏振角。

4.根据权利要求1所述基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法，其特征在于，步骤103具体包括：

获得入射光在入射光坐标系下的E矢量，为：

获得入射光在水平参数坐标系下的E矢量，为：

其中，γ表示观测点P在水平参考坐标系下的天顶角，α表示观测点P在水平参考坐标系下的方位角；

获得天顶点在观测图像中的位置(x_zenith,y_zenith)，其中，天顶点为载体正上方的观测点，以(x_zenith,y_zenith)为中心，半径为L的圆型区域建立瑞利散射模型，根据瑞利散射模型得到：

E^Ts＝0

其中，

N为有效像素点的个数；s为太阳方向矢量；

获得太阳矢量的最优估计：

其中，与EE^T最小特征值对应的特征向量为太阳矢量的最优估计；

获得最佳太阳子午线方向α_s：

其中，e_λ1和e_λ2分别是e_λ中第一个元素和第二个元素，e_λ是EE^T最小特征值对应特征向量。

5.根据权利要求4所述基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法，其特征在于，天顶点在观测图像中的位置(x_zenith,y_zenith)的求取过程为：

观测点P在水平参考坐标系下的天顶角为γ，通过下式得到：

其中

为

的第三个元素，最小的天顶角|γ|值对应的像素点即为天顶在偏振图像中的位置，通过下式得到：

6.根据权利要求1所述基于捷联式偏振光罗盘的动态定向方法，其特征在于，步骤105中偏航角的计算过程为：

式中，

为载体在导航坐标系中的航向角，

为太阳方位角，α_s为最佳太阳子午线方向。

7.一种基于捷联式偏振光罗盘的动态定向系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

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