[發(fā)明專利]基于大氣偏振E-矢量模式特征的空間姿態(tài)參數(shù)獲取方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010029645.3
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111156956B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任建斌;楊明;杜建偉;宋妮;孫曉玲
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

1.一種基于大氣偏振E-矢量模式特征的空間姿態(tài)參數(shù)獲取方法，其特征在于：包括如下步驟：

(1)、偏振信息檢測

利用偏振光傳感器中單反相機(jī)加裝魚眼鏡頭和線偏振片，實現(xiàn)天空180°大范圍內(nèi)偏振信息測量；魚眼鏡頭將全天域不同方向的檢測點投射到二維成像面上，通過CCD響應(yīng)，將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)化為圖像灰度信息，每個成像點對應(yīng)一個測量方向的偏振信息；

對每個測量點進(jìn)行三次不同角度的同步測量，即每個通道前端的偏振片透光軸與相機(jī)基準(zhǔn)軸夾角分別設(shè)置為0°，45°和90°，以檢測來自該方向上的光信息；若以I₀，I₄₅，和I₉₀分別表示這三個方向上檢測到的光強(qiáng)，則該方向上的E-矢量信息可由下列公式解算：

總光強(qiáng)I＝I₀+I₉₀ (1)

E-矢量方向

根據(jù)魚眼鏡頭測量點與相機(jī)相平面上像素點的標(biāo)定關(guān)系，通過三維重建，獲得全天域上的偏振度模式和E-矢量模式；

(2)、特征矢量提取

對采集的E-矢量進(jìn)行聚類分析，依據(jù)其特征，將單位天空半球面上E-矢量數(shù)據(jù)值相同的點作為一類，聚合出其對應(yīng)的空間位置，這些空間曲線相交的點即為太陽投影點及偏振光傳感器光軸方向，進(jìn)而確定出這兩個點在體系下的空間矢量和

具體過程如下：選取偏振角取值在某一范圍的數(shù)據(jù)點χ_i作為聚類的對象，

其中，χ_i±δχ_i為選取的數(shù)據(jù)范圍，δχ_i為設(shè)定的閾值，對其所在空間位置的高度角θ_i和方位角進(jìn)行聚類；對給定聚類類別數(shù)N，設(shè)定迭代停止閾值ε，指定位置初值θ₀，分別為任選的高度角和方位角；利用交替優(yōu)化的方法更新劃分矩陣U^(j)和聚類原型模式矩陣P^(j)：

其中，為第i個數(shù)據(jù)點x_i到第v類中心P_v的距離

將上述聚類結(jié)果P^(j)，即對應(yīng)類中心點的空間位置進(jìn)行曲線擬合，其方程分別記作f_i，i＝1，2，…，N，求取這些曲線的空間交點，即為所求的特征矢量

(3)、姿態(tài)參數(shù)確定

根據(jù)大氣偏振模式特征及偏振光導(dǎo)航特點，以地面觀測點或發(fā)射點為原點，選取東-北-天坐標(biāo)系為地面參考系，即x軸指向正東，y軸指向地理正北，z軸垂直向上指向天頂；載體坐標(biāo)系原點O選在質(zhì)心處，x軸取為載體橫軸，向右為正，y軸取為載體縱軸，向前為正，z軸垂直向上，滿足右手規(guī)則；偏振光傳感器與載體固聯(lián)，設(shè)置相機(jī)像平面x軸與載體橫軸重合，y軸與載體縱軸重合，則相機(jī)透光軸與載體豎軸重合；

若以θ，ψ和γ分別表示俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角，則兩組坐標(biāo)系的變換矩陣如下：

其中，s和c分別表示正弦函數(shù)sin和余弦函數(shù)cos，若求得變換矩陣，則根據(jù)其部分元素求取姿態(tài)角，即

θ＝arcsin(c₂₃) (7)

其中，c_ij(i，j＝1.2，3)表示變換矩陣中第i行第j列位置的元素；

若將參考系下的特征矢量記作r_i，載體坐標(biāo)系下的特征矢量b_i，記

其中，a_i為常數(shù)，且滿足

對矩陣B進(jìn)行奇異值分解，即尋找正交矩陣U和V，使矩陣B合同于某個對角陣S

U^TBV＝S (11)

其中S的主對角元λ₁，λ₂，λ₃為B的特征值且λ₁≥λ₂≥λ₃≥0；

因U和V均為正交矩陣，其行列式值等于1或-1，記

d＝(detU)(detV)＝±1 (12)

則姿態(tài)變換矩陣最優(yōu)解為

C_opt＝U[diag(1，1，d)]V^T (13)。