一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法与流程

本发明涉及一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法，针对水下环境的特殊性复杂性，充分考虑水下低信噪比环境对偏振测量的影响，建立基于水下多干扰条件的偏振输出量测方程，并运用拮抗算法解算偏振信息，有效提升低信噪比水下环境偏振信号提取能力，最后基于水下偏振实现水下载体自主定向。

背景技术：

水生生物能够捕获水下偏振光信息，并将其视为一种特殊的定向线索。水下偏振导航技术相关研究主要有朝着两个方向发展，一类为基于点源式偏振传感器的水下导航信息获取，另一类基于图像式偏振传感器的水下导航信息获取。复杂的水下环境对偏振量测会产生很大影响，点源式偏振传感器作为水下偏振光获取的主要手段之一，其在低信噪比水下环境信号获取能力还有待提高，且基于水下偏振的定向技术还有待研究。

《一种基于自适应ufk的仿生偏振传感器多源误差标定方法》，专利号cn201811414147.x，在偏振模型中考虑了多源误差，并建立含有多源误差输出系统量测模型，但其输出量测模型主要针对大气偏振，而水下环境复杂，光强不确定性大，因此其输出量测模型无法应用于水下偏振获取。已授权中国专利cn200810246233.4《四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法》利用多个独立偏振检测通道结合的方式获取偏振信息，从而解算导航信息，但其并未考虑水下低信噪比环境对偏振信号提取的影响，也没有水下多干扰环境对偏振信息解算精度的影响，无法应用于水下环境。因此，针对水下光强不确定大，环境干扰强的偏振输出量测模型有待及建立，低信噪比水下环境偏振信号提取手段有待提高，基于水下偏振定向技术还有待研究。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有水下偏振获取在低信噪比水下环境干扰强不确定性大的问题，提高多干扰水下环境中偏振信号的提取能力，并研究基于偏振的水下定向技术，提供一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法。首先针对水体深度和浑浊度对点源式偏振传感器输入光强的影响，通过引入光强衰减系数来表征一定水深下的偏振传感器输入光强，建立水体深度浑浊度与点源式偏振传感器输出光强的映射关系。然后相邻通道光路耦合效应，引入光路耦合效应系数进行误差补偿，此外考虑水下环境中检测通道光路损耗和偏振安装角误差，引入光强传递系数和偏振安装误差，建立基于水下多干扰条件的偏振输出量测方程。随后，运用拮抗运算方式，解算水下偏振信息，得到模块系下偏振矢量。最后根据水下偏振矢量和太阳矢量之间的垂直关系，建立基于水下偏振的姿态量测模型，最后解算水下载体航向。

本发明的技术方案是：一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法，包括以下步骤：

(1)建立深度z和浑浊度t与水下点源式偏振传感器输出光强的映射关系；针对深度和浑浊度对点源式偏振传感器水下输入光强的影响，通过建立深度和浑浊度与水面初始光强的关系，表征点源式偏振传感器输入光强，建立水体深度浑浊度与水下偏振传感器输出方程的映射关系；

(2)在水下点源式偏振传感器中共有六个检测通道，其按圆周方式排列，基于相邻通道光路干扰传输原理，建立相邻通道干扰耦合方程；在步骤(1)的基础上，针对水下复杂环境不确定因素以及杂散光对通道光路传输影响强的问题，引入检测通道两相邻通道杂光干扰系数σ1和σ2，建立相邻通道干扰耦合方程；

(3)引入传感器多干扰条件系数，建立水下偏振输出量测方程；在步骤(2)的基础上，考虑点源式偏振传感器在水下的光路损耗、相邻通道光路耦合和偏振安装角误差，引入光强传递系数ωi、光路耦合系数βi和偏振安装角误差系数δi，建立基于光强衰减系数k、深度z、光路耦合系数βi、光强传递系数ωi和偏振安装角误差系数δi的基于水下多干扰条件的偏振输出量测方程；

(4)利用拮抗运算方式解算水下偏振度dw和偏振角结合步骤(3)中给出的水下多干扰条件的偏振输出量测方程，建立对立偏振检测通道拮抗运算方程为检测通道量测方程输出值，为该检测通道对立通道量测方程输出值，而后将方程转换为线性方程，利用最小二乘获得水下偏振度和偏振角，得到偏振传感器模块系下的水下偏振矢量

(5)将步骤(4)得到的偏振传感器模块系下偏振矢量转换为导航下偏振矢量根据偏振矢量与太阳矢量sⁿ之间的垂直关系，建立导航系下偏振矢量与太阳矢量关系方程，最后建立基于水下偏振的载体姿态量测模型，通过惯导捷联解算水下载体航向信息。

进一步的，所述步骤(1)中，水体深度和浑浊度会影响水下点源式偏振传感器输入光强，而浑浊度表现为光强衰减系数，则在深度为z、浑浊度为t的水下点源式偏振传感器输入光强表示为：

iin＝i0e^-k(t)z

其中，i0为水面初始光照强度，k(t)为与深度相关的光强衰减系数；

根据光学偏振相关知识，基于光强衰减系数的水下偏振输出方程表示为：

其中，fi为水下偏振传感器第i个检测通道输出光强，i0为水面初始光照强度，t为水体浑浊度，z为水体深度，αi为第i个检测通道检偏方向角，dw和分别表示水下偏振度和偏振角。

进一步的，所述步骤(2)中，考虑水下环境中相邻通道杂散光对检测通道光路的影响，综合相邻通道光路干扰传输原理，建立各相邻通道干扰传输方程如下：

其中，和为相邻通道干扰光强；σ1和σ2表示检测通道相邻通道杂光干扰系数，从而相邻通道干扰耦合方程：

结合相邻通道干扰传输方程和干扰耦合方程，得到如下关系：

令：

得到干扰耦合方程：

进一步的，所述步骤(3)中，检测通道光束在水下传输过程中，会有相应的光强损耗，此时检测通道输出量测方程为：

其中，ωi为检测通道光强传递系数；结合步骤(2)中相邻通道干扰耦合方程，光路耦合情况下水下偏振输出量测方程表示为：

即

结合三角函数相关知识得到光路耦合情况下水下偏振输出量测方程：

其中，βi为相邻通道光路耦合系数，ψi为偏振安装角；

考虑检偏装置旋转误差，建立基于光强衰减系数k、深度z、光路耦合系数βi、光强传递系数ωi和偏振安装角误差系数δi的水下多干扰条件偏振输出量测方程：

其中，vi表示第i个检测通道的测量高斯白噪声。

进一步的，所述步骤(4)中，各系数经参数辨识后，针对水下低信噪比环境干扰强、光的不确定性问题，模拟螳螂虾偏振拮抗运算方法解算水下偏振度和偏振角：

其中，i＝1,3,5和j＝2,4,6表示垂直对立检测通道；则点源式偏振传感器量测方程：

其中，利用最小二乘法得水下偏振度dw和偏振角φw，则模块系下偏振矢量为：

进一步的，所述步骤(5)中，将步骤(4)得到的模块系下偏振矢量转换为导航系下偏振矢量

其中，为模块系与载体系之间的转换矩阵，假设两坐标系重合为载体系与导航系之间的坐标转换矩阵；根据偏振矢量与太阳矢量sⁿ之间的垂直关系，建立导航系下偏振矢量与太阳矢量关系方程：

最终，根据上述关系得到水下偏振量测模型：

其中，姿态转换矩阵为实际测量水下偏振测量，φ为平台失准角，νpol为系统量测噪声；在惯导捷联解算与卡尔曼滤波后，得到水下载体航向信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)综合考虑水下复杂环境对偏振测量的影响，建立基于水下多干扰条件下的偏振输出量测方程，可有效提高水下偏振信息的解算精度；

(2)水下环境干扰因素多，光强不确定性大，本发明提出应用拮抗运算方式解算水下偏振信息，可以提高低信噪比水下环境偏振信号的幅度和对比度；

(3)根据水下偏振矢量与太阳矢量之间的关系建立水下载体姿态量测模型，实现了基于水下偏振的自主定向。

附图说明

图1为本发明一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法的具体实现步骤如下：

(1)建立深度z和浑浊度t与水下点源式偏振传感器输出光强的映射关系；针对深度和浑浊度对点源式偏振传感器水下输入光强的影响，通过建立深度和浑浊度与水面初始光强的关系，表征点源式偏振传感器输入光强，建立水体深度浑浊度与水下偏振传感器输出方程的映射关系；

(2)在水下点源式偏振传感器中共有六个检测通道，其按圆周方式排列，基于相邻通道光路干扰传输原理，建立相邻通道干扰耦合方程；在步骤(1)的基础上，针对水下复杂环境不确定因素以及杂散光对通道光路传输影响强的问题，引入检测通道两相邻通道杂光干扰系数σ1和σ2，建立相邻通道干扰耦合方程。

(3)引入传感器多干扰条件系数，建立水下偏振输出量测方程；在步骤(2)的基础上，考虑点源式偏振传感器在水下的光路损耗、相邻通道光路耦合和偏振安装角误差，引入光强传递系数ωi、光路耦合系数βi和偏振安装角误差系数δi，建立基于光强衰减系数k、深度z、光路耦合系数βi、光强传递系数ωi和偏振安装角误差系数δi的基于水下多干扰条件的偏振输出量测方程；

(4)利用拮抗运算方式解算水下偏振度dw和偏振角结合步骤(3)中给出的水下多干扰条件的偏振输出量测方程，建立对立偏振检测通道拮抗运算方程为检测通道量测方程输出值，为该检测通道对立通道量测方程输出值，而后将方程转换为线性方程，利用最小二乘获得水下偏振度和偏振角，得到偏振传感器模块系下的水下偏振矢量

(5)将步骤(4)得到的偏振传感器模块系下偏振矢量转换为导航下偏振矢量根据偏振矢量与太阳矢量sⁿ之间的垂直关系，建立导航系下偏振矢量与太阳矢量关系方程，最后建立基于水下偏振的载体姿态量测模型，通过惯导捷联解算水下载体航向信息。

所述步骤(1)具体实现如下：

水体深度和浑浊度会影响水下点源式偏振传感器输入光强，而浑浊度表现为光强衰减系数，则在深度为z、浑浊度为t的水下点源式偏振传感器输入光强表示为：

iin＝i0e^-k(t)z

其中，i0为水面初始光照强度，k(t)为与深度相关的光强衰减系数；

根据光学偏振相关知识，基于光强衰减系数的水下偏振输出方程表示为：

其中，fi为水下偏振传感器第i个检测通道输出光强，i0为水面初始光照强度，t为水体浑浊度，z为水体深度，αi为第i个检测通道检偏方向角，dw和分别表示水下偏振度和偏振角。

所述步骤(2)具体实现如下：

考虑水下环境中相邻通道杂散光对检测通道光路的影响，综合相邻通道光路干扰传输原理，建立各相邻通道干扰传输方程如下：

其中，和为相邻通道干扰光强；σ1和σ2表示检测通道相邻通道杂光干扰系数，从而相邻通道干扰耦合方程：

结合相邻通道干扰传输方程和干扰耦合方程，得到如下关系：

令：

得到干扰耦合方程：

所述步骤(3)具体实现如下：

检测通道光束在水下传输过程中，会有相应的光强损耗，此时检测通道输出量测方程为：

其中，ωi为检测通道光强传递系数；结合步骤(2)中相邻通道干扰耦合方程，光路耦合情况下水下偏振输出量测方程表示为：

即

结合三角函数相关知识得到光路耦合情况下水下偏振输出量测方程：

其中，βi为相邻通道光路耦合系数，ψi为偏振安装角；

考虑检偏装置旋转误差，建立基于光强衰减系数k、深度z、光路耦合系数βi、光强传递系数ωi和偏振安装角误差系数δi的水下多干扰条件偏振输出量测方程：

其中，vi表示第i个检测通道的测量高斯白噪声。

所述步骤(4)具体实现如下：

各系数经参数辨识后，针对水下低信噪比环境干扰强、光的不确定性问题，模拟螳螂虾偏振拮抗运算方法解算水下偏振度和偏振角：

其中，i＝1,3,5和j＝2,4,6表示垂直对立检测通道；则点源式偏振传感器量测方程：

其中，利用最小二乘法得水下偏振度dw和偏振角φw，则水下偏振传感器模块下的偏振矢量为：

所述步骤(5)具体实现如下：

将步骤(4)得到的模块系下偏振矢量转换为导航系下偏振矢量

其中，为模块系与载体系之间的转换矩阵，假设两坐标系重合为载体系与导航系之间的坐标转换矩阵；根据偏振矢量与太阳矢量sⁿ之间的垂直关系，建立导航系下偏振矢量与太阳矢量关系方程：

最终，根据上述关系得到水下偏振量测模型：

其中，姿态转换矩阵为实际测量水下偏振测量，φ为平台失准角，νpol为系统量测噪声；在惯导捷联解算与卡尔曼滤波后，得到水下载体航向信息。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。