一种水下偏振罗盘方向解算方法及系统

技术领域

本公开涉及水下定向技术领域，具体涉及一种水下偏振罗盘方向解算方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

海洋蕴含了丰富的矿产资源、生物资源以及石油天然气资源，合理、有效地开发海洋资源是人类生存和发展的必经之路。精准导航是水下设备进行水下作业的前提与基础。目前水下自主导航系统除惯性传感器外通常还安装具有不同工作频率和精度的辅助导航手段如天文导航、视觉导航、声学导航、地球物理导航等。其他辅助惯性导航虽可以辅助修正惯性导航系统的定位误差，但是仍然存在误差累积、易受干扰等问题，面对低成本、高精度、强干扰等复杂应用环境，经典的导航技术尚不能完全满足水下运动平台的自主导航需求。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种水下偏振罗盘方向解算方法及系统，能够有效得到载体在与正北方向的方位角，实现水下潜航器水下偏振罗盘载体的运动方向的解算。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种水下偏振罗盘方向解算方法，包括：

采集水下潜航器的水下对空偏振图像，计算偏振角图像各像素的光强并进行重绘；

确定重绘的偏振角图像区域中的测量点，利用最小二乘法确定太阳子午线；

基于水下对空偏振角图像，建立以观测点为原点的地理坐标系；以载体重心为原点，建立载体坐标系，将载体坐标系与地理坐标系圆心进行重合；

确定太阳子午线在地理坐标系中夹角，并结合偏振图像对载体坐标系下太阳子午线的方位角的角度进行修正，最后通过太阳子午线在地理坐标系中夹角和载体坐标系下太阳子午线的方位角度得到载体在地理坐标系下的航向角。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种水下偏振罗盘方向解算系统，包括：

图像采集处理模块，用于采集水下潜航器的水下对空偏振图像，计算偏振角图像各像素的光强并进行重绘；

坐标系构建模块，用于确定重绘的偏振角图像区域中的测量点，利用最小二乘法确定太阳子午线；基于水下对空偏振角图像，建立以观测点为原点的地理坐标系；以载体重心为原点，建立载体坐标系，将载体坐标系与地理坐标系圆心进行重合；

航向角计算模块，用于确定太阳子午线在地理坐标系中夹角，并结合偏振图像对载体坐标系下太阳子午线的方位角的角度进行修正，最后通过太阳子午线在地理坐标系中夹角和载体坐标系下太阳子午线的方位角度得到载体在地理坐标系下的航向角。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种水下偏振罗盘方向解算方法。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种水下偏振罗盘方向解算方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开所述的一种水下偏振罗盘方向解算方法，利用图像式偏振定向进行水下导航信息获取，能够以较低的成本有效地得到载体与正北方向的方位角，以较高精确度得到水下潜航器等水下偏振罗盘载体的运动方向解算结果。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例的罗盘的4个相机所对应的起振器的偏振方向示意图；

图2为本公开实施例航向角获取图；

图3为本公开实施例水下仿生偏振光定向方法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

本公开的一种实施例中提供了一种水下偏振罗盘方向解算方法，包括：

步骤1：采集水下潜航器的水下对空偏振图像，计算偏振角图像各像素的光强并进行重绘；

步骤2：确定重绘的偏振角图像区域中的测量点，利用最小二乘法确定太阳子午线；

步骤3：基于水下对空偏振角图像，建立以观测点为原点的地理坐标系；以载体重心为原点，建立载体坐标系，将载体坐标系与地理坐标系圆心进行重合；

步骤4：确定太阳子午线在地理坐标系中夹角，并结合偏振图像对载体坐标系下太阳子午线的方位角的角度进行修正，最后通过太阳子午线在地理坐标系中夹角和载体坐标系下太阳子午线的方位角度得到载体在地理坐标系下的航向角。

作为一种实施例，在步骤1中，获取采集的水下潜航器的水下对空偏振图像，以I(0°)，I(45°)，I(90°)，I(135°)这四张偏振图像为单位输出差分偏振图像，根据以下公式，得到偏振角重绘图像。

重绘的偏振角图像对应像素光强:

其中，I表示原天空光的强度，I(0°)、I(45°)、I(90°)和I(135°)分别表示0°、45°、90°和135°偏振图像像素的光强。γ位偏振角图像对应像素的光强。

在步骤2中，确定重绘的偏振角图像区域中的测量点，利用最小二乘法确定太阳子午线的具体步骤为：

根据“沿着太阳子午线方向的E矢量垂直于太阳子午线”这一方法来获取太阳子午线位置。

S1：采集太阳子午线特征点，将特征点定义为90°-|偏振角|<θ，θ为大于零的任意值；

S3：求解太阳子午线在载体坐标系下方位角；

S4：将特征点作为样本点，利用最小二乘法做直线拟合，即y＝bx+c，这条直线即为太阳子午线在载体坐标系下的投影直线。

单身狗在实测数据中方位角度同理论太阳子午线精确重合的点非常少，将特征点定义为90°-|偏振角|<θ，θ为大于零的任意值。

在步骤3中，基于水下对空偏振角图像，建立以观测点为原点的地理坐标系；以载体重心为原点，建立载体坐标系，将载体坐标系与地理坐标系圆心进行重合，具体包括：

规定坐标系中逆时针方向为正向。

根据以下公式得到偏振度图像对应像素的光强：

在得到的偏振角图像建立地理坐标轴以观测点为原点O，地理正北方方向为X轴，地理正东方向为Y轴；以载体重心为原点o，体轴方向为Xb，与体轴垂直方向为Yb，并将载体坐标系与地理坐标系圆心重合。在坐标系中逆时针方向为正向，αo为载体坐标系下太阳子午线的方位角度，αs为地理坐标系下太阳子午线方位角。

以太阳子午线附近偏振度均值小于逆太阳子午线附近偏振度均值为依据对载体坐标系下太阳子午线方位角的角度进行修正，具体包括：

由于arctan(b)取值范围为[-π/2,π/2]，而航向角的范围为[0,2π]，因此运用“太阳子午线附近偏振度均值小于逆太阳子午线附近偏振度均值”这一规律来解决这一问题，即：

(1)arctan(b)∈[0,π/2]，太阳子午线位于一或三象限。若位于第一象限特征点偏振度均值均小于第三象限，则太阳子午线位于第一象限，α

(2)arctan(b)∈[-π/2,0]，太阳子午线位于二或四象限。若位于第二象限特征点偏振度均值均小于第四象限，则太阳子午线位于第二象限，α

然后，通过太阳子午线在地理坐标系中夹角和载体坐标系下太阳子午线的方位角度得到载体在地理坐标系下的航向角α。

1)求解α

sin(h

cos(α

其中：λ为太阳赤纬角、Λ为观测点的纬度、t为太阳时角，对于选定的时间可以计算出此时本地子午线的时角，对于选定的地点，即地理的经度纬度已知。通过时间、地点可以唯一确定太阳子午线在该地理坐标系中夹角α

2)根据以下公式可以由太阳子午线在该地理坐标系中夹角αs和为载体坐标系下太阳子午线的方位角度α

α＝α

实施例2

本公开的一种实施例中提供了一种水下偏振罗盘方向解算系统，包括：

图像采集处理模块，用于采集水下潜航器的水下对空偏振图像，计算偏振角图像各像素的光强并进行重绘；

坐标系构建模块，用于确定重绘的偏振角图像区域中的测量点，利用最小二乘法确定太阳子午线；基于水下对空偏振角图像，建立以观测点为原点的地理坐标系；以载体重心为原点，建立载体坐标系，将载体坐标系与地理坐标系圆心进行重合；

航向角计算模块，用于确定太阳子午线在地理坐标系中夹角，并结合偏振图像对载体坐标系下太阳子午线的方位角的角度进行修正，最后通过太阳子午线在地理坐标系中夹角和载体坐标系下太阳子午线的方位角度得到载体在地理坐标系下的航向角。

实施例3

本公开的一种实施例中提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种水下偏振罗盘方向解算方法步骤。

实施例4

本公开的一种实施例中提供了一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种水下偏振罗盘方向解算方法步骤。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。