[發明專利]基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生導航方法

有效

• 申請號: 201710607062.2
• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107402010B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 關樂;劉勝;褚金奎;王忠旭;李世奇;康維東
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 閻昱辰;李洪福

1.基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生導航方法，其特征在于包括如下步驟：

—采用偏振微光增強裝置，分別獲取0°、45°、90°和135°偏振光信號；

—用MULLER矩陣表示偏振器件對原光波偏振屬性的改變；并根據所述0°、45°、90°和135°偏振光信號的MULLER矩陣，求解出入射光束的斯托克斯分量I、Q、U、V中，I為投影在所述傳感器通道的傳感器單元上的天空光強，Q為0°方向偏振分量的光強，U為45°方向偏振分量光強，V是圓偏振分量光強；

—假設光流場同時滿足基本約束方程和全局平滑條件，則光流的基本約束為全局平滑條件為

—確定能夠保證所述全局平滑條件以及基本約束同時達到最小值的泛函能量的最小值；

所述泛函能量如下式所示：

—將得到的偏振斯托克斯矢量Q、U帶入上式就可以得到偏振光流算法：

—解歐拉方程，采用遞歸算法最后得到基于斯托克斯矢量的光流值為：

其中u，v分別為沿x軸和y軸的光流值，分別是沿x軸和y軸光流局部平均值，n為迭代次數，λ為權重系數；

在載體運動過程中，系統狀態變量為：

X＝{x1,y1,}

式中，x1,y1為載體實時位置坐標；為載體實時航向角；用全偏振信息導航傳感器表達的載體運動模型為：

式中，其中x_op，y_op為全偏振信息導航傳感器速度積分得到的位置；W_t-1為噪聲矩陣；

對以上模型進行線性離散化，得到卡爾曼濾波器狀態方程與測量方程為：

式中W_k與V_k為零均值白噪聲，對應的方差陣為Q_k和；X_k為系統狀態向量；Φ_k+1，k為狀態轉移矩陣；H_k為觀測矩陣，由此得到卡爾曼濾波器更新公式如下：

狀態一步預測估計：

狀態估計為：

一步預測均方差：

估計均方誤差矩陣：

根據k-1時刻的狀態估計預測k時刻狀態估計得到當前載體的運動位置和狀態，完成導航；

所述偏振裝置為：多個作為微光環境下聚光元器件的曲面微杯陣列、設置在所述陣列下方的變間距納米等離子透鏡以及設置在所述透鏡下方的圖像傳感器；所述的曲面微杯陣列中包括多個分布在曲面的微杯；使用時，所述的曲面微杯陣列將自然微光進行匯聚后引導微光照射所述的變間距納米等離子透鏡；

所述微光經過所述變間距納米等離子透鏡轉化成四個方向0°、45°、90°以及135°的偏振光信號。

2.根據權利要求1所述的基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生導航裝置，其特征還在于：

所述的曲面微杯陣列中每個微杯的中軸線匯聚于曲面所在圓的圓心；所述的變間距納米等離子透鏡設置在圓心的正下方。

3.根據權利要求2所述的基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生導航裝置，其特征還在于：

所述的曲面為半鼓型殼；組合狀態下，多個所述的微杯底面相接組成所述的曲面。

4.根據權利要求1所述的基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生導航裝置，其特征還在于：所述的變間距納米等離子透鏡包括0°光柵單元、45°光柵單元、90°光柵單元、135°光柵單元；

每個所述光柵單元覆蓋相鄰的像素點，均勻分布在整個CMOS圖像傳感器。

5.根據權利要求1所述的基于偏振斯托克斯矢量光流的運動速度檢測方法，其特征在于：所述表示偏振器件對原光波偏振屬性的改變的MULLER矩陣如下：

式中，ψ為偏振光柵的偏振角度；I是投影在三個偏振光通道的傳感器單元上的天空光強，Q是0°方向偏振分量的光強，U是45°方向偏振分量光強，V是圓偏振分量光強