[发明专利]一种基于单中性点模型的天空偏振定位方法

说明书

本发明涉及一种基于单中性点模型的天空偏振定位方法。首先，利用偏振图像传感器采集天空光强信息，同时，利用全站仪和GPS组成的基准参考平台获取偏振图像传感器的姿态信息，其次，根据天空光强信息解算获取所采集天空区域的偏振信息，解算获取偏振中性点坐标并通过坐标转换获得偏振中性点的赤纬角和时角的实测值，建立偏振中性点的赤纬角和时角的解析模型，与赤纬角与时角的实测值联立，通过最小二乘的方法来求取模型中未知参数，获得偏振中性点模型，最后根据偏振中性点模型设计基于单中性点的定位算法，实现天空偏振定位。本发明作为天空偏振导航的一种新的方法，对环境的适应性好，可实现无源、无辐射、全自主导航。

技术领域

本发明涉及一种基于单中性点模型的天空偏振定位方法，为研究天空偏振模式提供了一种新的思路，且可作为天空偏振导航的基础。

背景技术

阳光在进入大气层之后，受到大气分子的散射作用产生了不同的偏振状态。1871年英国著名物理学家瑞利提出了瑞利散射定律，揭示了光线经分子散射前后的规律。随后人们基于此规律获得了晴朗天气下大气偏振分布模式，提出了大气偏振瑞利散射模型。大气偏振分布模式相对稳定，自然界很多生物都能利用天空偏振光进行导航或者进行辅助导航。在进行仿生偏振导航的研究中，发现实际天空偏振模式与瑞利散射模型有一定差异。在全天域偏振图像传感器出现，并获取了高分辨率的天空偏振图像后，将实际得到的全天空偏振图像与通过瑞利散射模型仿真获取得到的全天空偏振图像进行对比发现，实际天空偏振图像中具有较为特殊的点，在该点偏振度为零，偏振方位角具有不确定性，这些点被称为偏振中性点。

传统对偏振中性点的研究主要集中在对大气散射理论的研究上，由于大气分子的多次散射以及云层水滴和尘埃等粒子的微粒散射，导致理论分析获得的天空偏振模式与实际测得的结果相差较大，从理论上很难获取较为准确的结果，而且目前的理论研究未与导航结合。

因此从实际测量结果来观察大气偏振模式，并将偏振中性点这一较为特殊的点作为研究对象，可排除冗余信息，减小模型解算难度，且中性点本身位置的特殊性，可以将其作为导航的依据。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于单中性点模型的天空偏振定位方法，弥补了现有天空偏振导航无法单独实现定位的缺陷，具有无源、无辐射、自主性强的特点。

本发明的技术解决方案为：一种基于单中性点模型的天空偏振定位方法，利用偏振图像传感器和通过图像处理的方法获取天空偏振中性点在图像坐标系中的坐标。再利用GPS、全站仪组成的基准参考平台来获取偏振图像传感器的三维姿态信息和位置信息，从而建立偏振中性点在三维空间中的位置模型，最后根据偏振中性点模型设计基于单中性点的定位算法，实现天空偏振定位。

具体步骤如下：

(1)利用偏振图像传感器采集天空光强信息，同时，利用基准参考平台测量偏振图像传感器的横滚α、俯仰β和偏航角γ信息；

(2)根据天空光强信息解算获取所采集天空区域的偏振度和偏振方位角信息，利用天空偏振特性解算偏振中性点坐标，并通过坐标转换获取偏振中性点的赤纬角和时角的实测值；

(3)建立偏振中性点的赤纬角和时角的解析模型，与赤纬角和时角的实测值联立，通过最小二乘的方法来求取模型中未知参数，获得偏振中性点模型；

(4)根据偏振中性点模型设计基于单中性点的定位算法，实现天空偏振定位。

所述步骤(1)中，偏振图像传感器由一个镜头前加可旋转线性偏振片的摄像机以及三脚架组成，线性偏振片透光轴旋转到不同角度时，利用摄像机采集对应角度的天空光强值；基准平台由一个GPS和全站仪组成。由基准平台获取的偏振图像传感器的横滚α、俯仰β和偏航角γ信息计算如下：

γ＝Δα₁±θ