一种大气偏振模式检测及航向解算系统及方法与流程

技术特征：

1.一种大气偏振模式检测及航向解算系统，其特征在于，包括四通道偏振图像采集装置和数据处理计算机两部分，所述的四通道偏振图像采集装置包括四通道图像采集模块、图像监控模块、设备驱动及数据存储模块，其中四通道图像采集模块均通过路由与设备驱动及数据存储模块连接，设备驱动及数据存储模块分别与图像监控模块、数据处理计算机连接；

所述的四通道图像采集模块包括四路并列安装的摄像机、摄像机安装架、镜头，其中镜头前设置有蓝色滤光片和偏振单元，且偏振单元设置于镜头与蓝色滤光片之间；摄像机安装架上设置安装孔用于固定摄像机和排线；

所述设备驱动及数据存储模块，用于驱动四通道图像采集模块拍摄大气偏振图像，并将采集到的图像数据保存起来；

所述图像监控模块包括视频显示器和视频信号转换器，所述的视频信号转换器将从设备驱动及数据存储模块读取的VGA信号转换为AV信号，所述视频显示器用于监控摄像机拍摄到的图像，且接收上述AV信号；

所述数据处理计算机包括偏振信息检测模块、航向角解算模块，数据处理计算机向所述设备驱动及数据存储模块发送指令，完成大气偏振图像的采集与存储工作；所述的偏振信息检测模块采用Stokes矢量法从拍摄的大气偏振图像中提取每一点的偏振度和偏振方位角；所述的航向角解算模块通过提取的偏振信息解算载体航向角。

2.根据权利要求1所述的大气偏振模式检测及航向解算系统，其特征在于，所述的四通道摄像机型号为HIKVISION 200万1/3”CMOS ICR日夜型枪型网络摄像机，最高分辨率达1920×1080@30fps，可输出实时图像；所述的镜头采用可见光波段的光学镜头。

3.根据权利要求1所述的大气偏振模式检测及航向解算系统，其特征在于，所述四通道图像采集模块中的偏振单元为一块自带安装结构的偏振片，能够固定在摄像机镜头的前端，且该偏振片配备有刻度轮盘，轮盘上的刻度与偏振片的度数经过测量一一对应，旋转刻度轮盘带动偏振片一起旋转，进而改变偏振片相对测量基准的偏振度。

4.根据权利要求1所述的大气偏振模式检测及航向解算系统，其特征在于，所述数据处理计算机中的偏振信息检测模块、航向角解算模块，为采用C++编写的MFC界面，整个界面包括偏振模式检测功能区和航向信息解算区；

所述的偏振模式检测功能区上共有4个按钮，分别为：读取图像、灰度化、偏振特性、图像存储；所述的读取图像按钮将四通道偏振图像采集装置获取的四张大气偏振图像读取并显示在界面上；所述的灰度化按钮对四张大气偏振图像进行灰度化处理，并将灰度图显示在界面上；所述的偏振特性按钮提取拍摄区域的大气偏振信息，并将生成的偏振度图像和偏振化方向图像依次显示在界面上；

所述的航向信息解算区上有1个姿态解算按钮，通过点击该按钮，可对载体的航向角进行解算，并将结果显示在界面上。

5.一种大气偏振模式检测及航向解算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，数据处理计算机向设备驱动及数据存储模块发送指令，完成大气偏振图像的采集与存储工作；

步骤2，偏振信息检测模块采用Stokes矢量法从拍摄的大气偏振图像中提取每一点的偏振度和偏振方位角，具体为：

(2.1)读取四通道偏振图像采集装置获取的四张大气偏振图像；

(2.2)对大气偏振图像进行灰度化处理，计算灰度值，即获取拍摄区域内的亮度信息；

(2.3)计算拍摄区域内每一点的Stokes各参量；

(2.4)提取拍摄区域的偏振信息；

步骤3，航向角解算模块通过提取的偏振信息解算载体航向角。

6.根据权利要求5所述的大气偏振模式检测及航向解算方法，其特征在于，步骤2所述的Stokes矢量法是一种偏振测量方法，用于表征光的偏振态，Stokes矢量通常表示为S＝(I,Q,U,V)^T，其中，I表示总光强，Q和U分别表示两个方向的线偏振分量，V为圆偏振分量；偏振度d和偏振方位角由Stokes矢量表示为：

7.根据权利要求5所述的大气偏振模式检测及航向解算方法，其特征在于，步骤(2.1)所述的四张大气偏振图像分别对应四种不同偏振度，即旋转四通道摄像机镜头前的偏振单元，使四个偏振片分别置于0°、45°、90°和135°，四幅图片对应的亮度信息用灰度值I(0°)、I(45°)、I(90°)和I(135°)表示，则所述的Stokes参量如下表示：

其中，I表示总光强，Q和U分别表示两个方向的线偏振分量。

8.根据权利要求5所述的大气偏振模式检测及航向解算方法，其特征在于，步骤3所述航向角解算模块通过提取的偏振信息解算载体航向角，具体步骤为：

(3.1)确定太阳位置；

所述的太阳位置包括太阳方位角A_s和太阳高度角h_s，太阳位置的计算方法如下式：

sin h_s＝sinδsinφ+cosδcosφcos t (3)

$\cos A_s=\frac{sin\mathrm{\δ}-\sin h_{s}sin\mathrm{\φ}}{\cos h_s\cos \mathrm{\φ}}---\left(4\right)$

其中，δ为太阳赤纬角，φ为观测纬度，t为太阳时角，δ计算方法如下所示：

$\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=0.3723+23.2567\sin \mathrm{\σ}+0.1149\sin 2\mathrm{\σ}-0.1712\sin 3\mathrm{\σ}\\ -0.785\cos \mathrm{\σ}+0.3656\cos 2\mathrm{\σ}+0.0201\cos 3\mathrm{\σ}\end{array}---\left(5\right)$

σ＝2π(D-D₀)/365.2422 (6)

D₀＝79.6764+0.2422×(Y-1985)-INT[(Y-1985)/4] (7)

其中，σ为日角，D为积日，Y为年份，t计算方法如下所示：

S_d＝S_o+{F_o-[120°-(J_D+J_F/60)]×4}/60 (8)

E_t＝0.0028-1.9857sinσ+9.9059sin2σ-7.0924cosσ-0.6882cos2σ (9)

S_t＝S_d+E_t/60 (10)

t＝(S_t-12)×15° (11)

其中，S_d为地方时，S_o、F_o分别为观测点的北京时和分，J_D、J_F为观测点的经度和经分，E_t为时差，S_t为真太阳时；

(3.2)计算载体体轴与太阳子午线的夹角ψ_SM，具体如下：

1)沿太阳子午线的E-矢量方向水平，即偏振方位角χ＝90°；将偏振检测模块提取的偏振方位角χ_j中满足条件χ_c＜|χ_j|＜90°的点提取出来，χ_c为设定阈值，构成新的点集χ′_j＝(h′_j,A′_j)，其中h′_j为高度角，A′_j为方位角；

2)对提取点的高度角h′_i和方位角A′_i进行聚类求取类中心，对所求结果进行曲线拟合，确定类中心在二维平面上的投影与参考坐标的转角，即为所检测的太阳子午线位置；

(3.3)求取载体航向角ψ，公式如下：

ψ＝ψ_SM-A_s (12)。

9.根据权利要求8所述的大气偏振模式检测及航向解算方法，其特征在于，步骤(3.2)所述提取点的高度角h′_i和方位角A′_i进行聚类求取类中心，其中聚类方法采用模糊C-均值聚类，将提取出的任一点作为初始点，通过交替优化的方法确定结果，隶属度和聚类中心的迭代公式如下：

隶属度u_ij：

$u_{ij}=\frac{1}{\underset{k=1}{\overset{c}{\Σ}}{\left(\frac{d_{ij}^2}{d_{kj}^2}\right)}^{\frac{1}{m-1}}}$

聚类中心v_i：

$v_i=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{u}_{ij}^m{x}_j}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{u}_{ij}^m}$

其中，u_ij表示第j个对象与第i类的隶属度，m表示模糊加权参数，v_i为聚类中心，x_j为样本点，其中，样本点x_j与聚类中心v_i的距离表示为d_ij＝||x_j-v_i||，d_kj则表示样本点x_k与x_j间的距离。