[发明专利]基于斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置及检测方法

说明书

本发明提出了一种面向天空偏振光的斯托克斯矢量光流采集装置，属于定位导航传感器设计领域。主要由可调刻度旋钮装置，传感器保护外罩，集成偏振光流传感器等主要部分组成。该发明为光机电一体化设计，通过外壳上的可调刻度旋钮选择三个不同角度的偏振方向，自然光经过这三个角度的偏振片滤光后，入射到集成偏振光流传感器，由偏振光流传感器内部的CMOS感光元件和光电转换模块，把偏振光信息转换为电信号，传感器集成的DSP图像处理芯片把偏振光转换的电信号经由内嵌的斯托克斯矢量和偏振光流算法解算。同时采用一种递归算法解算偏振光流值，减小了计算过程中带来的误差。该发明具有结构简单，集成度高，性能稳定，鲁棒性高，计算结果准确等优点。

技术领域

本发明属于基于偏振光学理论和偏振光流算法相结合的光导航信息采集及计算设备，特别设计了利用斯托克斯矢量的偏振信息来进行偏振光流场和光流速度值计算的采集方法和传感器。涉及专利分类号G物理G06计算；推算；计数G06T一般的图像数据处理或产生G06T7/00图像分析，例如从位像到非位像G06T7/20运动分析。

背景技术

光流法是目前运动图像分析的重要方法，是指时变图像中模式运动速度。光流表达了图像的变化，由于它包含了目标运动的信息，因此可被观察者用来确定目标的运动情况。

光流场是指图像中所有像素点构成的一种二位瞬时速度场。所以光流不仅包含了被观察物体的运动信息，而且还包含有关景物三维结构丰富信息。偏振是光在传播过程中电矢量振动方向周期性规则变化的一种现象，是独立于强度、光谱和位相的又一信息属性。偏振图像含有丰富的偏振信息。利用斯托克斯矢量的四个参量可以描述光波的强度和所有偏振态。四个参量都是光强的时间平均值，组成一个四维数学参量。

传统的天空偏振导航技术仅仅使用了偏振光中偏振方位角的相位信息，其中蕴含着更丰富的偏振斯托克斯矢量光流信息，却一直被研究者忽略。

发明内容

针对以上问题，本发明给出的基于斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置及检测方法如下：

一种基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置，包括三个呈旋转对称的偏振光流检测通道；

所述的偏振光流检测通道包括设置在顶部、可旋转特定角度的偏振片；在所述的通道底部设有偏振光流传感器；

使用过程中，调节所述偏振片至设定的角度，底部的偏振光流传感器采集多角度的光流信息，传输至处理单元。

作为优选的实施方式，每个所述的偏振光流检测通道顶部设有上盖，配合上盖周边的刻度，完成特定角度的旋转。

更进一步的，所述的偏振光流检测通道外部设有调节偏振片和偏振光流传感器间距的调焦弹簧。

更进一步的，工作状态下，呈旋转对称的三个所述的偏振光流检测通道中的偏振片分别调节到0°、45°和90°位置。

一种基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测方法，包括：

—采用如权利要求4所述的基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置，分别获取0°、45°和90°的偏振光通道采集的偏振光信号；

—用MULLER矩阵表示偏振器件对原光波偏振属性的改变；并将所述°、45°和90°所述MULLER矩阵，求解出入射光束的斯托克斯分量I、Q、U，其中，I为投影在所述三个偏振光通道的光流传感器上的天空光强，Q为0°方向偏振分量的光强，U为45°方向偏振分量光强；

—假设光流场同时满足基本约束方程和全局平滑条件，则光流的基本约束为全局平滑条件为

—确定能够保证所述全局平滑条件以及基本约束同时达到最小值的泛函能量的最小值；

所述泛函能量如下式所示：