[發明專利]一種基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置和方法

有效

• 申請號: 202110676614.1
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113432611B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 胡搖;李千惠;郝群;曹杰
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G06F17/16
• 代理公司: 北京市中聞律師事務所 11388
• 代理人: 馮夢洪

1.一種基于全天域大氣偏振模式成像的定向方法，其特征在于：其包括以下步驟：

(1)使用基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置采集全天域天空偏振光強度，并經POE傳輸至上位機；

(2)根據納米光柵微偏振陣列的排布規律，通過像素分割和插值算法，提取不同納米光柵的偏振角度φ分別對應的全天域偏振光強信息I_out(φ)；

(3)計算大氣偏振模式；

(4)設置DOP值和DOP梯度值的閾值，生成掩膜矩陣mask；

(5)利用mask矩陣，篩選并修復AOP分布：對于mask為1處的像素點，保留其AOP值；對于mask為0處的像素點，舍棄原有AOP值并計算其掩膜均值以填充，表示為：

其中，AOP_inpainting(i，j)表示篩選并修復后的AOP值，AOP_mean(i，j)為掩膜均值，AOP_mean(i，j)的計算過程表示為：

其中，mask_pad和AOP_pad分別表示mask和AOP矩陣中(i，j)坐標點附近，半徑為r的一個鄰域矩陣，兩矩陣的點積除以mask_pad中所有元素之和，計算得到掩膜均值；

(6)采用閾值法從修復后的AOP分布中提取太陽子午線，并利用Hough變換提取太陽子午線并確定運動載體方向；

基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置，包括：魚眼鏡頭(1)、微透鏡陣列(2)、納米光柵微偏振陣列(3)、CMOS圖像探測器(4)、POE(5)、上位機(6)和電源模塊(7)；

該裝置的成像光軸垂直于水平面指向天空，魚眼鏡頭對無窮遠處的天空成像，全天域的散射光經魚眼鏡頭入射到該裝置中，并依次透射微透鏡陣列和納米光柵微偏振陣列，到達CMOS圖像探測器；

微透鏡陣列位于納米光柵微偏振陣列的正上方，包含的微透鏡數量與CMOS圖像探測器像素單元數相等；

至少三種不同偏振角度的納米光柵按照一定的排布規律覆蓋在每個CMOS像素單元表面，形成納米光柵微偏振陣列；CMOS圖像探測器采集全天域天空偏振光強度信息并完成光電轉換；POE執行上位機與COMS圖像探測器之間的數據傳輸并為CMOS圖像探測器提供直流供電；上位機對采集到的全天域天空偏振光強度進行計算和處理，獲得大氣偏振模式；電源模塊為上位機和POE提供交流供電。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟(3)中，大氣偏振模式解算原理表示為：

其中，φ表示納米光柵的偏振角度，I_out(φ)表示對應全天域偏振光強信息，I、Q和U代表偏振光斯托克斯矢量的前三個分量。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于：所述步驟(3)中，由3個以上不同偏振角度φ對應的上式聯立，求解I、Q和U，進而計算得到的大氣偏振模式表示為：

其中，AOP為偏振角，DOP為偏振度。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于：所述步驟(4)中，mask表示為：

其中，(i，j)表示像素點坐標，DOP_min和DOP_max分別是DOP值的閾值下限和上限，G_max表示DOP梯度值的閾值上限。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：所述步驟(1)中，使用水平儀校正裝置的成像光軸，使光軸垂直于水平面指向天空，采集全天域天空偏振光強信息；所述步驟(3)中，選取納米光柵微偏振陣列計算單元中至少三個偏振角度對應的光強信息聯立計算斯托克斯矢量，進而計算大氣偏振模式，得到AOP和DOP分布；所述步驟(4)中，DOP_min和DOP_max為0至1之間的值，G_max的取值小于0.05。

6.一種根據權利要求1所述的方法的基于全天域大氣偏振模式成像的定向裝置，其特征在于：所述魚眼鏡頭的有效視場角大于180°。