[發(fā)明專利]基于三維太陽子午面擬合的水下偏振光場自主定向方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210630959.8
• 申請日: 2022-06-06
• 公開（公告）號: CN114937075A
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊健;胡鵬偉;野召斌;郭雷
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06T7/60
• 分類號: 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

本發(fā)明涉及基于三維太陽子午面擬合的水下偏振光場自主定向方法。先利用姿態(tài)信息確定水下偏振圖像中的斯涅爾窗口，將窗內(nèi)偏振信息通過補償折射作用反演得大氣“8”字偏振角圖像；將該偏振角圖像二值化，通過邊緣檢測獲取太陽子午線像素；根據(jù)鏡頭模型解算二維圖像中太陽子午線像素對應(yīng)的三維空間觀測矢量；這些觀測矢量共面，即太陽子午面，擬合該平面單位法向量；由法向量確定太陽方位角，并利用光強信息消除歧義性，最終結(jié)合年歷計算的導(dǎo)航系下太陽方位角確定載體航向。本發(fā)明將圖像中二維太陽子午線反演得三維太陽子午面，解決了水面折射及鏡頭畸變作用下彎曲太陽子午線的提取問題，實現(xiàn)了載體任意姿態(tài)下基于水下偏振光的自主定向功能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬水下光學(xué)導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種基于三維太陽子午面擬合的水下偏振光場自主定向方法。

背景技術(shù)

水下自主導(dǎo)航是水下無人系統(tǒng)感知和任務(wù)賦能的關(guān)鍵技術(shù)，但由于水體對衛(wèi)星等無線電導(dǎo)航信號具有屏蔽作用，使得水下導(dǎo)航信息源較少。慣性導(dǎo)航是水下導(dǎo)航常用的手段，但其自身存在誤差隨時間積累等劣勢，需要水下聲學(xué)系統(tǒng)、地球物理場導(dǎo)航等方式對其累積誤差進(jìn)行校正。但水下聲學(xué)系統(tǒng)需要預(yù)置應(yīng)答器，而地球物理場導(dǎo)航也需要先驗數(shù)據(jù)庫等信息，這些傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式都由于其自身的缺陷限止了水下導(dǎo)航應(yīng)用的場景。仿生偏振光導(dǎo)航是一種受生物導(dǎo)航能力啟發(fā)而發(fā)展的新型導(dǎo)航手段，具有全自主、誤差不積累等優(yōu)勢，近年來在大氣環(huán)境中的研究已取得了一系列進(jìn)展，但在水下環(huán)境中的偏振光導(dǎo)航技術(shù)仍處在起步階段，而偏振光導(dǎo)航的突出優(yōu)勢將為水下導(dǎo)航中信息源匱乏的問題提供了有效的解決思路。

目前在基于大氣偏振光導(dǎo)航中，從偏振圖像中提取太陽子午線是基于偏振光獲取航向信息的重要方式。中國發(fā)明專利CN201510044262.2將偏振角圖像中的兩個中性點連線來確定太陽子午線；中國發(fā)明專利CN201710027484.2提出了偏振度梯度方向的極大似然估計的方法實現(xiàn)太陽子午線的提取；中國發(fā)明專利CN201810758227.0、中國發(fā)明專利CN202010749644.6及中國發(fā)明專利CN202110676614.1對偏振角圖像進(jìn)行霍夫變換以獲取太陽子午線。在大氣環(huán)境中，偏振圖像中的太陽子午線為一條直線，上述方法均是基于這一前提實現(xiàn)對太陽子午線的提取。

太陽子午線是在以觀測者為球心的天球上的過太陽點與天頂點的大圓。偏角圖像中的太陽子午線為二維投影，在水平狀態(tài)下獲取的太陽子午線是一條直線。但在水下環(huán)境中，當(dāng)載體傾斜時，水面的折射作用會改變光線的傳播方向并使偏振光E-矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)。再加上鏡頭的非線性畸變作用，使得水下偏振角圖像的太陽子午線彎曲，且彎曲的形式及程度隨載體傾斜幅度變化，因此傾斜狀態(tài)下對太陽子午線的提取難度增加。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了基于三維太陽子午面擬合的水下偏振光場自主定向方法。將載體獲取的二維水下偏振圖像中的太陽子午線反演至三維空間下形成太陽子午面，實現(xiàn)了二維太陽子午線到三維太陽子午面的轉(zhuǎn)換，并通過對該平面法向量的擬合獲取航向信息。該方法利用水下斯涅爾窗內(nèi)折射偏振光分布模式，通過擬合太陽子午面的方法解算載體航向信息。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：基于三維太陽子午面擬合的水下偏振光場自主定向方法，其實現(xiàn)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，得到的非零點像素p^*的坐標(biāo)(m^*,n^*)，即太陽子午線像素，將二維圖像上的太陽子午線像素p^*通過相機鏡頭模型Θ反演，得到太陽子午線像素對應(yīng)的相機世界坐標(biāo)系下三維空間中觀測矢量v^w*，其中相機世界坐標(biāo)系為w系；