[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

说明书

本发明涉及一种水下太阳光斑和偏振场自适应融合的罗盘计算方法。首先通过微阵列偏振相机获取水下图像和偏振方位角，图像方面提取太阳光斑中心估计太阳矢量，并计算图像自适应融合因子；偏振方面由水下偏振方位角反演大气偏振E‑矢量，根据瑞利散射模型估计太阳矢量，并计算偏振自适应融合因子。最后，根据自适应融合因子融合太阳光斑和偏振场两种信息计算相机系下的太阳矢量，在水平面进行投影，并结合太阳年历获取地理系下的太阳方位角，最终得到相机的罗盘信息。本发明综合利用水下太阳光斑和偏振场信息进行自适应融合，可在不同水深下获取准确可靠的航向信息，可推广于水下图像式偏振传感器辅助导航应用场景。

技术领域

本发明属于水下光学导航领域，具体涉及一种水下太阳光斑和偏振场自适应融合的罗盘计算方法。

背景技术

相比于陆地和空中，水下环境复杂且可用于导航的信息匮乏。目前已有的导航技术有惯性导航、卫星导航、声学导航等，它们应用于不同的环境具有各自的缺陷，惯性导航误差会随着时间积累，卫星导航在水下环境拒止，声学导航需预先布置信标等，难以满足在陌生复杂海洋环境下的导航要求。因此，科学家从水下环境信息中提取导航信息来满足导航需求。

水下环境中包含太阳光经水面折射后的光，可以提供导航信息，并且在大气环境中通过感知太阳光强获取导航信息的方法已相当成熟，如太阳敏感器技术，中国发明专利CN201210405372.3提出了超大视场太阳敏感器和提取图像太阳光斑中心获取太阳角度的方法，中国发明专利CN200810116807.6提出了获取太阳罗盘进行月球车位姿自主确定方法。但是通过感知太阳光提取导航信息的方法应用在水下还要考虑折射、水面波动等影响，仅依靠该方法解算太阳矢量精度易受干扰，还需考虑水下其他环境信息进行提取导航信息。

仿生偏振导航技术是一种基于大气偏振现象及生物视觉信息导航机理的新型导航技术，具有无源、自主的优点。仿生偏振导航在大气环境下导航定位的研究已经取得很大进展，水下偏振光同样具有与太阳位置有关的偏振特性分布规律，针对水下环境研究在水下生物偏振感知机理和水下偏振场方面等已有初步成果。例如，中国发明专利CN201911252040.4提出了基于水下偏振分布模式解算太阳矢量的方法，中国实用新型专利CN201921710541.8公开了一种近海水下实时偏振成像系统。在上述专利中，仅用水下偏振场信息解算太阳矢量，易受水下深度影响，并未充分利用水下环境信息。

因此，如何在不同水深的实际水下场景下充分利用水下太阳光斑和偏振场信息获得稳定可靠的导航信息以提高偏振传感器的水下环境适应性是一项亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有图像式偏振传感器不能充分利用实际水下场景的环境信息，不能适应不同水下深度带来的影响，难以获取准确可靠的导航信息。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种水下太阳光斑和偏振场自适应融合的罗盘计算方法，其实现步骤如下：

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；