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

技术特征：

1.一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法，其特征在于：

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。

3.根据权利要求1所述的一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法，其特征在于：

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：

g1＝(σ1+σ2)/2,

得到干扰耦合方程：

4.根据权利要求1所述的一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法，其特征在于：

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。

5.根据权利要求1所述的一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法，其特征在于：

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，则传感器模块系下偏振矢量为：

6.根据权利要求1所述的一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法，其特征在于：

所述步骤(5)中，将步骤(4)得到的传感器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。

技术总结
本发明公开了一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法，针对水体深度浑浊度对水下光强的影响，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，随后考虑水下偏振传感器光路损耗、相邻通道光路耦合及检偏装置旋转误差，建立基于水下多干扰条件的偏振输出量测方程；针对水下低信噪比环境干扰强、光的不确定性大等问题，运用拮抗运算方式解算水下偏振信息，并建立水下载体姿态量测模型，实现水下载体航向信息的获取。本发明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，运用拮抗算法解算水下偏振信息，有效提升低信噪比水下环境偏振信号提取能力，基于水下偏振实现水下载体自主定向。

技术研发人员：杨健;张腾;郭雷;刘鑫;王陈亮
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2020.07.21
技术公布日：2020.10.30