[发明专利]一种基于水下偏振分布模式的太阳矢量解算方法

说明书

本发明涉及一种基于水下偏振分布模式的太阳矢量解算方法。首先获取水下天球坐标系下至少两个任意观测方向上的水下偏振方位角信息；然后，基于光线折射定律反演水下观测方向上的大气入射光线传播方向；接着利用费涅尔折射公式确定水下观测到的偏振E‑矢量对应的大气偏振E‑矢量；最后，根据瑞利散射模型，利用大气偏振E‑矢量与太阳矢量垂直关系得到太阳矢量。本发明建立了水平姿态下的基于水下斯涅耳窗内偏振分布模式的太阳矢量解算基本模型，可推广应用于点源式、图像式偏振传感器水下应用场景。

技术领域

本发明涉及一种基于水下偏振分布模式的太阳矢量解算方法，该方法考虑到折射作用对水下E-矢量的改变，实现了利用水下斯涅耳窗内偏振分布模式来解算太阳矢量，属水下偏振光导航领域。

背景技术

目前，可用于水下自主导航的信息十分匮乏。惯性导航是当前广泛应用的导航方式，具有全自主、抗干扰性强等优势，但其误差会随着时间积累，因此需要其他导航方式来辅助校正。由于电磁波在水中衰减严重，传统的无线电、卫星导航无法在水下得到应用；而在未知陌生海域，一方面缺少先验地球物理场信息，这使得地磁、地形匹配等基于地球物理场导航难以实现；另一方面陌生海域没有预置的水下应答器，因此也无法应用水声定位等手段。现阶段水下导航突出的需求是利用无误差积累且不依赖先验信息的方式来实现对惯导的辅助校正。

生物学家研究表明，沙蚁、蜜蜂、蝙蝠、虹鳟鱼等生物可以通过敏感大气偏振分布模式来进行导航。太阳光在经过大气的过程与大气分子等粒子发生瑞利散射，在天球上呈现较为稳定且有规律的偏振光分布模式。在这种光学场中蕴含着空间信息，可通过对大气偏振分布的感知解算出太阳的位置信息，进而实现导航定位等功能。这种通过感知自然环境来获取导航信息的方式具有自主性、稳定性、误差不积累等优势。

目前的仿生偏振导航研究主要集中于大气的应用场景，偏振度与偏振E-矢量是大气偏振分布模式的两个参量，如何从感知到的偏振分布模式，即偏振度或偏振E-矢量分布模式中提取空间信息是偏振光导航研究的重点。例如，中国专利CN201410652332.8和中国专利CN201510303533.1分别提出了基于大气偏振度分布特征来解算太阳矢量的方法，中国专利CN201710027484.2提出了一种利用大气偏振E-矢量获取太阳方位的方法。这些方法的本质模型均基于单次瑞利散射模型，利用偏振E-矢量与太阳垂直等几何关系来解算太阳矢量。在上述专利中，太阳矢量的解算都是仅仅基于大气散射作用建立的模型，没有考虑水体折射作用对偏振E-矢量方向的改变，因此水下偏振分布并不完全符合单次瑞利散射模型，所以上述专利方法并不适用于基于水下偏振分布的太阳矢量解算。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明在对单次瑞利散射模型在折射作用下的水下分布模式研究的基础上，提出了一种基于水下斯涅耳窗内的偏振分布模式的太阳矢量解算方法。水下偏振光主要有两个来源，一是大气偏振光经过折射后在斯涅耳窗内形成的偏振分布模式；另一来源是太阳光透射入水下后，在水介质的散射作用下形成的偏振分布，同时存在于斯涅耳窗内外，但这一来源偏振光强度较弱，相较于斯涅耳窗内的折射后的偏振光可以忽略，而斯涅耳窗外仅有此一种来源的偏振光。由于斯涅耳窗内为透射光，光强更强，因此从传感器的角度来考虑，利用这部分的偏振分布模式更加有得于导航信息的获取。水的折射作用对大气偏振光的水下分布影响主要有两个方面，一是折射改变了非垂直入射光线的传播方向，二是折射作用会对偏振E-矢量角度产生影响。因此该方法从这两个方面考虑，可利用获取到的水下斯涅耳窗内的偏振分布模式来解算太阳矢量，进而得到导航信息。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于水下偏振分布模式的太阳矢量解算方法，其实现步骤如下：

步骤(1)、首先通过水平放置的偏振传感器获取水下天球坐标系下任意n个观测方向上的水下偏振E-矢量信息其中k＝1,2,...,n；n≥2；

步骤(2)、结合步骤(1)的水下观测方向基于折射定律反演出此水下观测方向上的光线的入射角i_k；