[发明专利]基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生导航方法

权利要求书

1.基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生导航方法，其特征在于包括如下步骤：

—采用偏振微光增强装置，分别获取0°、45°、90°和135°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；并根据所述0°、45°、90°和135°偏振光信号的MULLER矩阵，求解出入射光束的斯托克斯分量I、Q、U、V中，I为投影在所述传感器通道的传感器单元上的天空光强，Q为0°方向偏振分量的光强，U为45°方向偏振分量光强，V是圆偏振分量光强；

—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：

—将得到的偏振斯托克斯矢量Q、U带入上式就可以得到偏振光流算法：

—解欧拉方程，采用递归算法最后得到基于斯托克斯矢量的光流值为：

其中u，v分别为沿x轴和y轴的光流值，分别是沿x轴和y轴光流局部平均值，n为迭代次数，λ为权重系数；

在载体运动过程中，系统状态变量为：

X＝{x1,y1,}

式中，x1,y1为载体实时位置坐标；为载体实时航向角；用全偏振信息导航传感器表达的载体运动模型为：

式中，其中x_op，y_op为全偏振信息导航传感器速度积分得到的位置；W_t-1为噪声矩阵；

对以上模型进行线性离散化，得到卡尔曼滤波器状态方程与测量方程为：

式中W_k与V_k为零均值白噪声，对应的方差阵为Q_k和；X_k为系统状态向量；Φ_k+1，k为状态转移矩阵；H_k为观测矩阵，由此得到卡尔曼滤波器更新公式如下：

状态一步预测估计：

状态估计为：

一步预测均方差：

估计均方误差矩阵：

根据k-1时刻的状态估计预测k时刻状态估计得到当前载体的运动位置和状态，完成导航；

所述偏振装置为：多个作为微光环境下聚光元器件的曲面微杯阵列、设置在所述阵列下方的变间距纳米等离子透镜以及设置在所述透镜下方的图像传感器；所述的曲面微杯阵列中包括多个分布在曲面的微杯；使用时，所述的曲面微杯阵列将自然微光进行汇聚后引导微光照射所述的变间距纳米等离子透镜；

所述微光经过所述变间距纳米等离子透镜转化成四个方向0°、45°、90°以及135°的偏振光信号。

2.根据权利要求1所述的基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生导航装置，其特征还在于：

所述的曲面微杯阵列中每个微杯的中轴线汇聚于曲面所在圆的圆心；所述的变间距纳米等离子透镜设置在圆心的正下方。

3.根据权利要求2所述的基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生导航装置，其特征还在于：

所述的曲面为半鼓型壳；组合状态下，多个所述的微杯底面相接组成所述的曲面。

4.根据权利要求1所述的基于斯托克斯矢量光流及相位的全偏振信息仿生导航装置，其特征还在于：所述的变间距纳米等离子透镜包括0°光栅单元、45°光栅单元、90°光栅单元、135°光栅单元；

每个所述光栅单元覆盖相邻的像素点，均匀分布在整个CMOS图像传感器。

5.根据权利要求1所述的基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测方法，其特征在于：所述表示偏振器件对原光波偏振属性的改变的MULLER矩阵如下：

式中，ψ为偏振光栅的偏振角度；I是投影在三个偏振光通道的传感器单元上的天空光强，Q是0°方向偏振分量的光强，U是45°方向偏振分量光强，V是圆偏振分量光强