[发明专利]一种水下太阳光斑和偏振场自适应融合的罗盘计算方法

权利要求书

1.一种水下太阳光斑和偏振场自适应融合的罗盘计算方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤(1)、首先通过水下水平放置的微阵列偏振相机获取原始图像，对原始图像进行噪声滤波、阈值处理及二值化后得到太阳光斑图像，提取太阳光斑中心坐标(x_s,y_s)，由相机成像几何模型和折射定律得到图像估计太阳矢量S_F；

步骤(2)、根据步骤(1)得到的太阳光斑图像，由像素点个数计算太阳光斑的周长L_F和面积A_F，根据面积和周长评估当前水深采集的太阳光斑信息质量，反映受水面波动等影响程度，计算图像自适应融合因子ω_F；

步骤(3)、获取微阵列偏振相机的偏振方位角图像，取偏振方位角图像中n个像素点，结合相机成像几何模型和菲涅尔折射公式，由水下偏振方位角反演其对应的大气偏振E-矢量根据大气偏振E-矢量与太阳矢量垂直关系解算得到偏振估计太阳矢量S_P；其中n≥10；

步骤(4)、根据步骤(3)获取的偏振方位角图像，将图像分块并做主成分分析，评估当前水深采集的偏振场信息质量，反映受水体散射等影响程度，提取图像分块样本矩阵的方差贡献率最大值作为偏振自适应融合因子ω_P；

步骤(5)、根据所述步骤(1)-(4)的计算结果，根据图像自适应融合因子和偏振自适应融合因子来融合太阳光斑和偏振场两种信息的结果，得到当前水深融合计算的相机坐标系下的太阳矢量S^b，在水平面进行投影得到相机坐标系下的太阳方位角并结合太阳年历获取地理坐标系下的太阳方位角最终得到相机的罗盘信息。

2.根据权利要求1所述的一种水下太阳光斑和偏振场自适应融合的罗盘计算方法，其特征在于：

所述步骤(1)的图像估计太阳矢量S_F具体步骤如下：

相机参数标定后可以得到相机成像几何模型f_camera(x,y)，进而确定图像中任意像素点(x,y)在相机坐标系的观测方向，其中以采集图像中心正上方为方位角零位，顺时针为正，天顶角为从相机天顶方向到观测方向的夹角，因此，通过质心法等方法提取图像中太阳光斑中心坐标，并得到关于相机坐标系下的天顶角和方位角：

由折射定律得到大气太阳天顶角为：

其中，n_w,n_a分别为水与空气的折射率；

水面折射不会改变太阳光线传播的方位角，因此大气太阳方位角与水下太阳方位角相等，进而得到图像估计太阳矢量S_F：

3.根据权利要求2所述的一种水下太阳光斑和偏振场自适应融合的罗盘计算方法，其特征在于：

所述步骤(2)根据面积和周长计算图像自适应融合因子ω_F，具体实现如下：

步骤(1)获取的光斑图像中光斑包含上万个像素点，围成光斑的像素点数量构成其周长L_F，包含的所有像素点个数构成其面积A_F，根据面积和周长评估当前水深采集的太阳光斑信息质量，反映受水面波动等影响信息质量的程度，计算图像自适应融合因子为：

4.根据权利要求3所述的一种水下太阳光斑和偏振场自适应融合的罗盘计算方法，其特征在于：

所述步骤(3)具体包括：

获取微阵列偏振相机的偏振方位角图像，取图像中n个像素点坐标及其水下偏振方位角其中n≥10，且像素点在图像中分布均匀不紧凑，根据相机成像几何模型得到像素点在相机坐标系的水下观测方向在相机坐标系下的天顶角和方位角：

根据折射定律得到大气观测方向的天顶角：

根据菲涅尔折射公式计算其大气偏振E-矢量的偏振方位角为：

则该E-矢量在相机坐标系下表示为：

由瑞利散射模型可知，大气偏振E-矢量与太阳矢量垂直，利用n个大气偏振E-矢量解算得到太阳矢量，具体方法如下：

太阳矢量的最优估计为矩阵EE^T的最小特征值对应的特征向量S_P，作为偏振估计太阳矢量。