本發明屬于仿生導航技術領域，特別是一種大氣偏振模式檢測及航向解算系統及方法。

背景技術：

由于大氣中懸浮的微小粒子產生的散射、輻射和吸收作用，使太陽光在傳輸的過程中產生了偏振現象，而由偏振光形成的偏振態分布被稱為大氣偏振模式。大氣偏振模式與時間、地點等因素有關，具有時空連續分布的特性，且這種偏振模式分布特性相對比較穩定。

傳統的導航方法都存在著一定的缺陷，傳統導航方法本身已發展成熟，很難有更大的突破，因此，人類必須尋求一種新的方法來進一步提高導航性能。近些年來，隨著仿生學的興起及相關研究發現某些生物例如沙蟻、蝗蟲等生物具有特殊的視神經系統，能通過感知天空中的偏振信息進行導航定位，即偏振光導航。由于偏振光導航利用的是太陽光在大氣中散射所產生的偏振特性，所以，這是一種天然的導航方法，其很難受人為因素的干擾，且偏振光導航屬被動式導航，隱蔽性好，不受電磁干擾。因此，偏振光導航具有很大的研究價值和應用前景。但是目前的偏振光檢測系統結構復雜，多采用串口和USB口進行數據通信，實時性有限，并且不能詳細顯示提取偏振信息過程中每一步的具體操作，實時地查看圖像數據的處理過程及結果較困難。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種結構原理簡單的四通道大氣偏振模式檢測及航向解算系統及方法，以完成對大氣偏振信息的提取和航向角的解算。

實現本發明目的的技術解決方案是：一種大氣偏振模式檢測及航向解算系統，包括四通道偏振圖像采集裝置和數據處理計算機兩部分，所述的四通道偏振圖像采集裝置包括四通道圖像采集模塊、圖像監控模塊、設備驅動及數據存儲模塊，其中四通道圖像采集模塊均通過路由與設備驅動及數據存儲模塊連接，設備驅動及數據存儲模塊分別與圖像監控模塊、數據處理計算機連接；

所述的四通道圖像采集模塊包括四路并列安裝的攝像機、攝像機安裝架、鏡頭，其中鏡頭前設置有藍色濾光片和偏振單元，且偏振單元設置于鏡頭與藍色濾光片之間；攝像機安裝架上設置安裝孔用于固定攝像機和排線；

所述設備驅動及數據存儲模塊，用于驅動四通道圖像采集模塊拍攝大氣偏振圖像，并將采集到的圖像數據保存起來；

所述圖像監控模塊包括視頻顯示器和視頻信號轉換器，所述的視頻信號轉換器將從設備驅動及數據存儲模塊讀取的VGA信號轉換為AV信號，所述視頻顯示器用于監控攝像機拍攝到的圖像，且接收上述AV信號；

所述數據處理計算機包括偏振信息檢測模塊、航向角解算模塊，數據處理計算機向所述設備驅動及數據存儲模塊發送指令，完成大氣偏振圖像的采集與存儲工作；所述的偏振信息檢測模塊采用Stokes矢量法從拍攝的大氣偏振圖像中提取每一點的偏振度和偏振方位角；所述的航向角解算模塊通過提取的偏振信息解算載體航向角。

一種大氣偏振模式檢測及航向解算方法，包括以下步驟：

步驟1，數據處理計算機向設備驅動及數據存儲模塊發送指令，完成大氣偏振圖像的采集與存儲工作；

步驟2，偏振信息檢測模塊采用Stokes矢量法從拍攝的大氣偏振圖像中提取每一點的偏振度和偏振方位角，具體為：

(2.1)讀取四通道偏振圖像采集裝置獲取的四張大氣偏振圖像；

(2.2)對大氣偏振圖像進行灰度化處理，計算灰度值，即獲取拍攝區域內的亮度信息；

(2.3)計算拍攝區域內每一點的Stokes各參量；

(2.4)提取拍攝區域的偏振信息；

步驟3，航向角解算模塊通過提取的偏振信息解算載體航向角。

本發明與現有技術相比，其顯著優點為：(1)系統結構簡單，成本較低，易于搭建；(2)操作流程簡潔，設備搭建完成后，僅需簡單的指令便可操作攝像機連續拍攝天空圖像，并存儲下來；(3)圖像數據處理方便，系統軟件將提取偏振信息過程中每一步的操作均顯示出來，方便查看圖像數據的處理過程及結果；(4)該系統可根據偏振檢測信息解算載體的航向角，特別在導彈發射過程的射前導航階段提供初始航向角。

附圖說明

圖1為本發明大氣偏振模式檢測及航向解算系統的結構框圖。

圖2為四通道圖像采集裝置結構示意圖。

圖3為單通道結構示意圖。

圖4為本發明大氣偏振模式檢測及航向解算方法的流程圖。

圖5為本發明的軟件界面圖。

圖6為偏振信息檢測結果圖，其中(a)為晴天的偏振度圖像，(b)為晴天的偏振化方向圖,(c)為多云天氣的偏振度圖像，(d)為多云天氣的偏振化方向圖。

具體實施方式

結合圖1～3，本發明大氣偏振模式檢測及航向解算系統，大氣偏振模式檢測及航向解算系統，其特征在于，包括四通道偏振圖像采集裝置和數據處理計算機兩部分，所述的四通道偏振圖像采集裝置包括四通道圖像采集模塊、圖像監控模塊、設備驅動及數據存儲模塊，其中四通道圖像采集模塊均通過路由與設備驅動及數據存儲模塊連接，設備驅動及數據存儲模塊分別與圖像監控模塊、數據處理計算機連接；

所述的四通道圖像采集模塊包括四路并列安裝的攝像機、攝像機安裝架、鏡頭，其中鏡頭前設置有藍色濾光片和偏振單元，且偏振單元設置于鏡頭與藍色濾光片之間；攝像機安裝架上設置安裝孔用于固定攝像機和排線；

所述設備驅動及數據存儲模塊，用于驅動四通道圖像采集模塊拍攝大氣偏振圖像，并將采集到的圖像數據保存起來；

所述圖像監控模塊包括視頻顯示器和視頻信號轉換器，所述的視頻信號轉換器將從設備驅動及數據存儲模塊讀取的VGA信號轉換為AV信號，所述視頻顯示器用于監控攝像機拍攝到的圖像，且接收上述AV信號；

所述數據處理計算機包括偏振信息檢測模塊、航向角解算模塊，數據處理計算機向所述設備驅動及數據存儲模塊發送指令，完成大氣偏振圖像的采集與存儲工作；所述的偏振信息檢測模塊采用Stokes矢量法從拍攝的大氣偏振圖像中提取每一點的偏振度和偏振方位角；所述的航向角解算模塊通過提取的偏振信息解算載體航向角。

進一步地，所述的四通道攝像機型號為HIKVISION 200萬1/3”CMOS ICR日夜型槍型網絡攝像機，最高分辨率達1920×1080@30fps，可輸出實時圖像；所述的鏡頭采用可見光波段的光學鏡頭。

進一步地，所述四通道圖像采集模塊中的偏振單元為一塊自帶安裝結構的偏振片，能夠固定在攝像機鏡頭的前端，且該偏振片配備有刻度輪盤，輪盤上的刻度與偏振片的度數經過測量一一對應，旋轉刻度輪盤帶動偏振片一起旋轉，進而改變偏振片相對測量基準的偏振度。

進一步地，所述數據處理計算機中的偏振信息檢測模塊、航向角解算模塊，為采用C++編寫的MFC界面，整個界面包括偏振模式檢測功能區和航向信息解算區；

所述的偏振模式檢測功能區上共有4個按鈕，分別為：讀取圖像、灰度化、偏振特性、圖像存儲；所述的讀取圖像按鈕將四通道偏振圖像采集裝置獲取的四張大氣偏振圖像讀取并顯示在界面上；所述的灰度化按鈕對四張大氣偏振圖像進行灰度化處理，并將灰度圖顯示在界面上；所述的偏振特性按鈕提取拍攝區域的大氣偏振信息，并將生成的偏振度圖像和偏振化方向圖像依次顯示在界面上；

所述的航向信息解算區上有1個姿態解算按鈕，通過點擊該按鈕，可對載體的航向角進行解算，并將結果顯示在界面上。

結合圖4，本發明大氣偏振模式檢測及航向解算方法，包括以下步驟：

步驟1，數據處理計算機向設備驅動及數據存儲模塊發送指令，完成大氣偏振圖像的采集與存儲工作；

步驟2，偏振信息檢測模塊采用Stokes矢量法從拍攝的大氣偏振圖像中提取每一點的偏振度和偏振方位角，所述的Stokes矢量法是一種偏振測量方法，用于表征光的偏振態，Stokes矢量通常表示為S＝(I,Q,U,V)^T，其中，I表示總光強，Q和U分別表示兩個方向的線偏振分量，V為圓偏振分量；偏振度d和偏振方位角由Stokes矢量表示為：

具體步驟如下：

(2.1)讀取四通道偏振圖像采集裝置獲取的四張大氣偏振圖像；

所述的四張大氣偏振圖像分別對應四種不同偏振度，即旋轉四通道攝像機鏡頭前的偏振單元，使四個偏振片分別置于0°、45°、90°和135°，四幅圖片對應的亮度信息用灰度值I(0°)、I(45°)、I(90°)和I(135°)表示，則所述的Stokes參量如下表示：

其中，I表示總光強，Q和U分別表示兩個方向的線偏振分量。

(2.2)對大氣偏振圖像進行灰度化處理，計算灰度值，即獲取拍攝區域內的亮度信息；

(2.3)計算拍攝區域內每一點的Stokes各參量；

(2.4)提取拍攝區域的偏振信息；

步驟3，航向角解算模塊通過提取的偏振信息解算載體航向角，具體步驟為：

(3.1)確定太陽位置；

所述的太陽位置包括太陽方位角A_s和太陽高度角h_s，太陽位置的計算方法如下式：

sin h_s＝sinδsinφ+cosδcosφcos t (3)

其中，δ為太陽赤緯角，φ為觀測緯度，t為太陽時角，δ計算方法如下所示：

σ＝2π(D-D₀)/365.2422 (6)

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

其中，σ為日角，D為積日，Y為年份，t計算方法如下所示：

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為地方時，S_o、F_o分別為觀測點的北京時和分，J_D、J_F為觀測點的經度和經分，E_t為時差，S_t為真太陽時；

(3.2)計算載體體軸與太陽子午線的夾角ψ_SM，具體如下：

1)沿太陽子午線的E-矢量方向水平，即偏振方位角χ＝90°；將偏振檢測模塊提取的偏振方位角χ_j中滿足條件χ_c＜|χ_j|＜90°的點提取出來，χ_c為設定閾值，構成新的點集χ_j′＝(h_j′,A_j′)，其中h_j′為高度角，A_j′為方位角；

2)對提取點的高度角h_i′和方位角A_i′進行聚類求取類中心，對所求結果進行曲線擬合，確定類中心在二維平面上的投影與參考坐標的轉角，即為所檢測的太陽子午線位置；

所述提取點的高度角h_i′和方位角A_i′進行聚類求取類中心，其中聚類方法采用模糊C-均值聚類，將提取出的任一點作為初始點，通過交替優化的方法確定結果，隸屬度和聚類中心的迭代公式如下：

隸屬度u_ij：

聚類中心v_i：

其中，u_ij表示第j個對象與第i類的隸屬度，m表示模糊加權參數，v_i為聚類中心，x_j為樣本點，其中，樣本點x_j與聚類中心v_i的距離表示為d_ij＝||x_j-v_i||，d_kj則表示樣本點x_k與x_j間的距離。

(3.3)求取載體航向角ψ，公式如下：

ψ＝ψ_SM-A_s (12)

下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步詳細介紹。

實施例1

如圖1所示，為本發明實施例系統示意圖。本發明包括硬件平臺和軟件部分，硬件平臺由四通道偏振圖像采集裝置和數據處理計算機兩部分組成，其中，四通道偏振圖像采集裝置由四通道圖像采集模塊、圖像監控模塊、設備驅動及數據存儲模塊組成；軟件部分在數據處理計算機中運行。

四通道圖像采集模塊如圖2所示，包括四路并列安裝的攝像機、攝像機安裝架、鏡頭。其中，攝像機采用高清數字攝像機，本實施例中選用HIKVISION 200萬1/3”CMOS ICR日夜型槍型網絡攝像機，傳輸速率快，最高分辨率達1920×1080@30fps，可輸出實時圖像。鏡頭采用可見光波段的鏡頭。鏡頭前依次安裝有藍色濾光片和偏振單元。所述的藍色濾光片用于濾除藍光之外的波段，由于藍光波長短，散射強度大，因此，采用藍色濾光片更有利于偏振信息的提取。偏振單元為一塊自帶安裝結構的偏振片，固定在攝像機鏡頭的前端，藍色濾光片的后端，且配備有刻度輪盤，輪盤上的刻度與偏振片的度數經過測量一一對應，旋轉刻度輪盤帶動偏振片一起旋轉，進而改變偏振片相對測量基準的偏振度，其量程范圍為0°～360°，精度為1°。單通道攝像機如圖3所示。攝像機安裝架采用鋁合金材料，且留有大量的安裝孔，除了用于固定攝像機和排線之外，還可減輕設備質量；使用前將四臺偏振圖像采集攝像機固定在矩形安裝架的內側；

設備驅動及數據存儲模塊在本實施例中采用EM3500ARM開發板，使用時將驅動程序燒入開發板中，驅動四通道圖像采集模塊拍攝大氣偏振圖像，并將采集到的圖像數據保存起來；

所述的四通道圖像采集模塊與設備驅動及數據存儲模塊間通過網口傳輸圖像數據，即四通道攝像機通過四根網線連接在一個小型路由器上，再從路由器上引出一根網線接在所述EM3500ARM開發板的網口上，由此實現了設備驅動及數據存儲模塊對四臺攝像機的同時操作；

圖像監控模塊包括視頻顯示器和視頻信號轉換器。其中，視頻顯示器用于監控攝像機拍攝到的圖像，且接收AV視頻信號，而從設備驅動及數據存儲模塊讀取的視頻信號為VGA格式，工作時在視頻顯示器與EM3500ARM開發板之間接入視頻信號轉換器，以完成VGA信號到AV信號的轉換工作；

數據處理計算機為一臺普通的筆記本電腦，其在檢測過程中主要執行三個任務，分別包括：往EM3500ARM開發板中燒寫程序；向設備驅動及數據存儲模塊發送指令，完成圖像的采集與存儲工作；運行大氣偏振模式檢測及航向解算系統的軟件部分，提取大氣偏振信息，并計算載體航向角；

如圖4所示，為本發明實施例的工作流程圖，整個偏振檢測及航向解算系統的測試工作過程如下：

1)向EM3500ARM開發板中燒寫驅動攝像機的程序；

2)參照圖1所示，搭建偏振光檢測系統平臺，將各設備連接完成后置于遮蔽狀態較少

的開闊地帶；

3)啟動電源；

4)將四通道圖像采集模塊的矩形安裝架的對角線選作偏振單元的基準，旋轉刻度輪盤

以改變四通道偏振片相對基準的偏振度，本實施例中分別選擇0°、45°、90°和135°。調整之后，將四通道圖像采集模塊對準天空中的檢測區域；

5)打開筆記本電腦，運行軟件putty和WinSCP。其中，通過軟件putty向EM3500ARM

開發板發送命令，運行開發板中的程序，開發板再根據指令驅動四通道攝像機拍攝天空圖片，并將圖片存儲下來。軟件WinSCP可用來查看存儲在開發板中的圖片數據；

6)圖像采集完成后，運行檢測系統軟件部分的偏振信息檢測模塊，打開軟件界面后，

如圖5所示，點擊讀取圖像按鈕之后，偏振信息檢測模塊將采集到的圖片顯示在界面左側，然后再點擊灰度化按鈕，對采集到的偏振圖像進行灰度處理，并將處理后的灰度圖片顯示在原圖的右側，接著點擊偏振特性按鈕，從偏振圖像中提取偏振信息，即偏振度和偏振方位角，并將生成的偏振度圖像和偏振化方向圖像依次顯示在灰度圖右側，最后點擊圖像存儲按鈕，將處理結果保存起來；

7)偏振信息提取完成后，啟動航向角解算模塊，在圖5所示界面的航向信息解算區

上，點擊航向解算按鈕，完成整個系統載體的航向解算。

使用本系統平臺進行偏振模式檢測實驗，將實驗平臺置于開闊地帶，且保持水平，調節四通道攝像機對準天空并采集偏振圖像。實驗次數共計2次，地點均選取在北緯32°1′45″，東經118°51′20″處。

實驗一：實驗時間為2016年12月9日，11:04；實驗天氣條件為晴天多云。實驗結果如圖6所示，其中，圖6(a)為偏振度圖像，圖6(b)為偏振化方向圖。

實驗二：實驗時間為2016年12月9日，16:30；實驗天氣條件為晴天多云。實驗結果如圖6所示，其中，圖6(c)為偏振度圖像，圖6(d)為偏振化方向圖。