本發(fā)明涉及一種太陽方位獲取方法，特別涉及一種基于大氣偏振模式的太陽方位獲取方法，屬于仿生偏振光導(dǎo)航領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
：

動物的導(dǎo)航方式非常奇特，其導(dǎo)航機(jī)理還沒有被人類完全理解和掌握，仿生導(dǎo)航已成為目前導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究的新熱點。許多生物(沙蟻、蝗蟲、蜜蜂、糞金龜、部分鳥類等)，能夠利用它們獨特的眼睛結(jié)構(gòu)，感知并利用光的偏振現(xiàn)象，通過觀測大氣偏振模式，從中提取出太陽的方位信息，實現(xiàn)導(dǎo)航定位。與經(jīng)典導(dǎo)航技術(shù)相比，仿生偏振光導(dǎo)航利用具備自然屬性的天空偏振模式，具有抗干擾性強(qiáng)、誤差不積累、適用范圍廣等優(yōu)勢，比較適合復(fù)雜環(huán)境下的長航時、遠(yuǎn)距離的自主導(dǎo)航，對于車輛、船舶、飛行器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣泛前景。

目前的偏振光傳感器主要可以分為兩大類：點測量式和圖像測量式。前者一次采樣只能測量一個方向上的偏振信息，容易受到環(huán)境的干擾、魯棒性不強(qiáng)；圖像測量式的偏振光傳感器，可以同時測量視角范圍內(nèi)的整個區(qū)域的偏振信息，應(yīng)用范圍更廣。使用圖像式偏振光傳感器帶來的一個關(guān)鍵問題就是如何利用天空偏振模式的分布規(guī)律來獲取太陽方位，進(jìn)而計算導(dǎo)航方向角?，F(xiàn)有的方法主要是利用偏振角模式來估計太陽方位，而忽略了大氣偏振模式中另外一個重要信息——偏振度模式，這將導(dǎo)致對大氣偏振信息的利用不夠充分，目前尚無同時利用大氣偏振角模式和偏振度模式來獲取太陽方位的報道。因此，尋找一種同時利用偏振角模式和偏振度模式這二者所包含的信息來估計太陽方位，進(jìn)而提高太陽方位估計精度和魯棒性的方法具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于：在從大氣偏振模式獲取太陽方位的過程中，如何充分利用偏振角模式和偏振度模式這二者所包含的信息對太陽方位進(jìn)行估計，進(jìn)而提高估計精度和魯棒性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的解決方案為：

基于大氣偏振模式的太陽方位獲取方法，該方法包括以下步驟：

步驟一，大氣偏振模式測量：

利用一種基于多相機(jī)的偏振光傳感器，實時測量一片天空區(qū)域的偏振模式，獲得的偏振模式包括偏振角模式和偏振度模式；該偏振光傳感器主要由四個CCD(Charge-Coupled Device)相機(jī)、四個廣角鏡頭、四個偏振片組成，偏振片的通光軸方向按照0°、45°、90°、135°的角度安裝；四個相機(jī)由同步控制器外觸發(fā)采樣，相機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)進(jìn)行偏振態(tài)解算，以獲得天空的偏振角模式和偏振度模式；

步驟二，基于偏振角模式的太陽方位獲?。?/p>

根據(jù)瑞利散射模型，散射光的E矢量方向垂直于散射面，即E矢量與太陽方向矢量s相互垂直，即

e^Ts＝0 (1)

因此，太陽方向矢量可以通過兩個不共線的E矢量估計得到；實際上，偏振態(tài)的有效像素點數(shù)由圖像的分辨率決定，通常情況下有效像素點數(shù)大于30萬，且它們對應(yīng)的E矢量大多數(shù)是不相關(guān)的；

定義E＝[e₁ … e_N]_3×N，其中N為有效像素點的個數(shù)，可以得到

E^Ts＝0_N×1 (2)

實際測量中，由于誤差的存在，太陽方向矢量s的最優(yōu)估計可以表示為如下的優(yōu)化問題，

即太陽方向矢量的最優(yōu)估計為矩陣(EE^T)的最小特征值所對應(yīng)的特征向量，太陽方向矢量在水平面的投影即為太陽的方位；

步驟三，基于偏振度模式的太陽方位獲取：

大氣偏振度模式沿著太陽子午線呈軸對稱分布，最大的偏振度發(fā)生在距離太陽90°的區(qū)域，而朝向太陽(或背離太陽)方向的偏振度最小，呈現(xiàn)出如圖3中的帶狀分布，越亮的區(qū)域偏振度越大；

為了從大氣偏振度模式中提取出太陽子午線，只需檢測出該模式的對稱軸即可，采用如下步驟：

1)對偏振度模式進(jìn)行平滑，該步驟是為下面的求梯度過程做預(yù)處理，其作用是抑制求梯度時引入的噪聲，可采用中值濾波器或者維納濾波器實現(xiàn)；

2)對平滑后的偏振度模式求梯度，對所有有效點的梯度方向進(jìn)行統(tǒng)計，求出其概率密度分布(圖4所示)，梯度方向的極大似然估計即為太陽子午線的估計結(jié)果，根據(jù)太陽子午線的朝向即可獲得太陽的方位；

步驟四，根據(jù)實際的應(yīng)用背景和先驗知識，將這兩種方法的結(jié)果進(jìn)行綜合加權(quán)，從而得到太陽方位角的最優(yōu)估計。

在本發(fā)明中，通過以上四個步驟，便可以實現(xiàn)太陽方位的獲取。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1)綜合利用一片天空區(qū)域的偏振模式，不易受到干擾，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性。

2)同時利用偏振角模式和偏振度模式這二者所包含的信息來估計太陽方位，可以得到更高的估計精度。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖；

圖2為一階瑞利散射模型原理圖；

圖3為實際測量的大氣偏振度模式(平滑后)及其梯度方向示意圖；

圖4為梯度方向的概率密度分布圖。

具體實施方式：

以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明的基于大氣偏振模式的太陽方位獲取方法，具體包括如下步驟：

步驟一，大氣偏振模式測量：

大氣偏振模式是太陽光經(jīng)過粒子散射后，所產(chǎn)生的偏振光在天空中形成的特殊分布模式，其具有顯著的分布規(guī)律。利用一種基于多相機(jī)的偏振光傳感器，實時測量一片天空區(qū)域的偏振模式，獲得的偏振模式包括偏振角模式和偏振度模式；該偏振光傳感器主要由四個CCD(Charge-Coupled Device)相機(jī)、四個廣角鏡頭、四個偏振片組成，其中，偏振片的通光軸方向按照0°、45°、90°、135°的角度安裝；四個相機(jī)由同步控制器外觸發(fā)采樣，相機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)進(jìn)行偏振態(tài)解算，獲得天空的偏振角模式和偏振度模式。

步驟二，基于偏振角模式的太陽方位獲?。?/p>

晴朗的天氣條件下，散射粒子主要由大氣分子組成，其尺寸遠(yuǎn)小于光的波長，因此可以用一階瑞利散射模型來描述晴朗天氣下大氣散射過程，即散射光的E矢量(光波中的電振動矢量)方向垂直于散射面，如圖2所示。

結(jié)合圖2，說明如何從測得的偏振角模式獲取太陽方位。

首先定義如下右手直角坐標(biāo)系：

相機(jī)坐標(biāo)系(O_cX_cY_cZ_c)：選擇1號相機(jī)作為參考基準(zhǔn)，X_c軸和Y_c軸分別沿CCD傳感器的橫向和縱向，Z_c軸為相機(jī)的光軸。系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)平后，Z_c軸將指向天頂方向。

入射光坐標(biāo)系(O_iX_iY_iZ_i)：其Z_i軸指向觀測方向，X_i軸位于觀測方向所在的豎直平面(OPP′)內(nèi)，Y_i軸與X_i軸和Z_i軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系(Y_i軸未標(biāo)出)。

觀測者的位置處于O，太陽在天球上的位置為S，用天頂角γ_S和方位角α_S來描述，天頂角與高度角互為余角。

圖像中的每一個像素點(x_p,y_p)都與天空中的某一觀測方向P相對應(yīng)，其天頂角和方位角分別為γ和α，對于校正后的圖像，其對應(yīng)關(guān)系可以表示為：

式中，f為焦距，(c_x,c_y)^T為光軸在圖像中的投影的坐標(biāo)值。

E矢量方向在相機(jī)坐標(biāo)系中可以表示為：

式中，φ為該入射光的偏振角，它可以由圖像式偏振光傳感器直接測量得到，為從坐標(biāo)系c到坐標(biāo)系i的方向余弦矩陣，為

根據(jù)瑞利散射模型，散射光的E矢量方向垂直于散射面，即E矢量與太陽方向矢量s相互垂直，即：

e^Ts＝0 (7)

因此，太陽方向矢量可以通過兩個不共線的E矢量估計得到。實際上，偏振態(tài)的有效像素點數(shù)由圖像的分辨率決定，通常情況下有效像素點數(shù)大于30萬，且它們對應(yīng)的E矢量大多數(shù)是不相關(guān)的。定義E＝[e₁ … e_N]_3×N，其中N為有效像素點的個數(shù)，可以得到：

E^Ts＝0_N×1 (8)

實際測量中，由于誤差的存在，太陽方向矢量s的最優(yōu)估計可以表示為如下的優(yōu)化問題：

即太陽方向矢量的最優(yōu)估計為矩陣(EE^T)的最小特征值所對應(yīng)的特征向量，太陽方向矢量在水平面的投影即為太陽的方位。

步驟三，基于偏振度模式的太陽方位獲取

根據(jù)瑞利散射模型，大氣偏振度模式沿著太陽子午線呈軸對稱分布，最大的偏振度發(fā)生在距離太陽90°的區(qū)域，而朝向太陽(或背離太陽)方向的偏振度最小，呈現(xiàn)出如圖3中的帶狀分布，越亮的區(qū)域代表偏振度越大。

為了從大氣偏振度模式中提取出太陽子午線，只需檢測出該模式的對稱軸即可，結(jié)合圖3、圖4說明詳細(xì)的步驟：

1)對偏振度模式進(jìn)行平滑，該步驟是為下面的求梯度過程做預(yù)處理，其作用是抑制求梯度時引入的噪聲，可采用中值濾波器或者維納濾波器實現(xiàn)(圖3給出了平滑后的偏振度模式結(jié)果)。

2)對平滑后的偏振度模式求梯度，對所有有效點的梯度方向進(jìn)行統(tǒng)計(圖3中的箭頭方向即梯度方向，箭頭的長度表示梯度的大小)，求出其概率密度分布(如圖4所示)。梯度方向的極大似然估計即為太陽子午線的估計結(jié)果，根據(jù)太陽子午線的朝向即可獲得太陽的方位。

步驟四，根據(jù)實際的應(yīng)用背景，將這兩種方法的結(jié)果進(jìn)行綜合加權(quán)，從而得到太陽方位角的最優(yōu)估計。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。