[發(fā)明專利]基于三維太陽(yáng)子午面擬合的水下偏振光場(chǎng)自主定向方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210630959.8
• 申請(qǐng)日: 2022-06-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114937075A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊健;胡鵬偉;野召斌;郭雷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/60
• 分類號(hào): G06T7/60;G06T7/13;G01C21/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 金怡;顧煒

1.基于三維太陽(yáng)子午面擬合的水下偏振光場(chǎng)自主定向方法，其特征在于，步驟如下：

步驟(1)、利用水下圖像式偏振傳感器獲取的偏振光強(qiáng)圖像Ι_k解算偏振角圖像P，根據(jù)水平姿態(tài)信息將水下斯涅爾窗內(nèi)偏振角圖像P_in受到的折射作用補(bǔ)償轉(zhuǎn)換為大氣“8”字偏振角圖像P_in8，其中k表示不同的檢偏方向；

步驟(2)、將由步驟(1)獲取的大氣“8”字偏振角圖像P_in8二值化，并進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到的非零點(diǎn)像素p^*的坐標(biāo)(m^*,n^*)，即太陽(yáng)子午線像素，將二維圖像上的太陽(yáng)子午線像素通過(guò)相機(jī)鏡頭模型Θ反演，得到太陽(yáng)子午線像素對(duì)應(yīng)的相機(jī)世界坐標(biāo)系下三維空間中觀測(cè)矢量v^w*，其中相機(jī)世界坐標(biāo)系為w系；

步驟(3)、由步驟(2)中得到的所有觀測(cè)矢量v^w*在三維空間共面，形成太陽(yáng)子午面，擬合太陽(yáng)子午面單位法向量n；

步驟(4)、由偏振光強(qiáng)圖像Ι_k計(jì)算入射光強(qiáng)圖像I，由步驟(3)得到的太陽(yáng)子午面單位法向量n確定太陽(yáng)方位角，并利用入射光強(qiáng)圖像I消除太陽(yáng)方位角歧義性，結(jié)合年歷計(jì)算的導(dǎo)航坐標(biāo)系下的太陽(yáng)方位角確定自身航向ψ。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維太陽(yáng)子午面擬合的水下偏振光場(chǎng)自主定向方法，其特征在于：

所述步驟(1)具體步驟如下：

水下圖像式偏振傳感器的俯仰角和橫滾角分別為θ和γ，則載體坐標(biāo)系和水平坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣表示為：

其中，載體坐標(biāo)系為b系，水平坐標(biāo)系為h系；

斯涅爾窗口中心為水平坐標(biāo)系下天頂矢量，表示為z^h＝[0 0 1]^T，則其在b系下為：

z^b＝[-cosθsinγ sinθ cosθcosγ]^T (2)

定義相機(jī)世界坐標(biāo)系與b系重合，因此z^w＝z^b，其中，相機(jī)世界坐標(biāo)系為w系；在偏振角圖像P中，任意一像素點(diǎn)p的坐標(biāo)為(m,n)，則該點(diǎn)在w系下的對(duì)應(yīng)的觀測(cè)矢量v^w由相機(jī)鏡頭模型Θ計(jì)算得到：

v^w＝Θ(p) (3)

觀測(cè)矢量v^w與天頂矢量z^w之間的夾角β滿足cosβ＝v^w·z^w；

大氣、水體的折射率分別表示為n_a和n_w，則斯涅爾窗口邊緣與其中心之間的夾角ξ滿足當(dāng)cosβ＞cosξ時(shí)，則對(duì)應(yīng)的像素被判定為在斯涅爾窗內(nèi)，同時(shí)將滿足cosβ≤cosξ的像素值標(biāo)記為無(wú)效數(shù)據(jù)，從而得到斯涅爾窗內(nèi)偏振角圖像P_in；其中任意有效像素的值為入射偏振光E-矢量振動(dòng)方向與圖像零位之間的夾角α，α的范圍為該像素對(duì)應(yīng)的斯涅爾窗內(nèi)觀測(cè)矢量v^w在h系下表示為：

像素_p對(duì)應(yīng)的觀測(cè)矢量的方位角φ滿足：

φ＝arctan 2(v^h(2),v^h(1)) (5)

其中v^h(*)表示觀測(cè)矢量v^h的第*個(gè)分量；

由此計(jì)算該像素的水下的“8”字偏振方位角χ_u為：

χ_u＝α-φ (6)

觀測(cè)矢量v^h的天頂角與該方向入射光線在水下的折射角r相等，由此計(jì)算折射角r：

則該方向入射光線從水上的入射角由斯涅爾折射定律計(jì)算：

進(jìn)而計(jì)算大氣入射光線的“8”字偏振方位角χ_a：

完成將斯涅爾窗內(nèi)的偏振角圖像P_in轉(zhuǎn)換為大氣“8”字偏振角圖像P_in8。