技術特征：

1.一種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。

2.根據權利要求1所述的大氣偏振模式檢測及航向解算系統，其特征在于，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。

3.根據權利要求1所述的大氣偏振模式檢測及航向解算系統，其特征在于，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。

4.根據權利要求1所述的大氣偏振模式檢測及航向解算系統，其特征在于，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。

5.一種大氣偏振模式檢測及航向解算方法，其特征在于，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。

6.根據權利要求5所述的大氣偏振模式檢測及航向解算方法，其特征在于，步驟2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：

7.根據權利要求5所述的大氣偏振模式檢測及航向解算方法，其特征在于，步驟(2.1)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。

8.根據權利要求5所述的大氣偏振模式檢測及航向解算方法，其特征在于，步驟3所述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)

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

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：

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

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；

(3.3)求取載體航向角ψ，公式如下：

ψ＝ψ_SM-A_s (12)。

9.根據權利要求8所述的大氣偏振模式檢測及航向解算方法，其特征在于，步驟(3.2)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：

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

聚類中心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。