CN108759820B - 一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法。首先设计仿复眼多通道偏振传感器结构模型；然后，设计偏振度选取准则，利用多通道偏振传感器获取天空中被观测点的偏振度信息，并按准则从中选取特定个数的偏振度测量值，取其中三个值作为一组解算输入，并确定该组权值；接着，根据每个通道安装矩阵建立与太阳矢量几何关系，并由测量偏振度建立与全天域最大偏振度约束关系，获得非线性方程组。最后，利用非线性方程组解算该组输入对应的太阳矢量，对多组太阳矢量求解加权平均，实现对模块系下太阳矢量的解算。本发明不仅可用于晴朗无云天气下，同时可适用于多云天气环境，具有较强的鲁棒性和环境适应性。

Description

一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法

技术领域

本发明涉及一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法，可在晴朗或多云天气条件下通过获取天空有效偏振信息解算出模块体系下的太阳矢量，提供导航信息。

背景技术

太阳光在大气的作用下发生瑞利散射，使得太阳光起偏，从而在大气层内形成一定形式的偏振光分布模式。通过对这种偏振分布模式的获取感知，可以反演出太阳矢量，进而为导航定位的实现提供信息。生物学家研究表明，蜜蜂、蝴蝶、沙蚁等许多生物可以通过感知天空偏振分布模式来实现导航功能，对昆虫偏振光感知器官的模仿可为有效获取天空偏振信息提供思路。偏振光导航方式可弥补惯性导航方式误差随时间积累的缺陷，且无源无辐射、受外界电磁干扰小，是一种全自主的导航方式。

天空偏振分布具备两个特性，即偏振方位角与偏振度。由瑞利散射定律可知，天空偏振光E-矢量方向与太阳矢量垂直，因此这一几何关系被广泛用于基于偏振光的太阳矢量的解算过程中，而偏振度信息往往没有得到充分的应用。偏振度作为标量信息，与偏振方位角这一矢量信息相比，可在一定程度上大大降低传感器模型复杂度和太阳矢量解算难度。

目前的偏振光导航传感器主要分为两大类，分别是图像式和点源式。图像式通常采用基于鱼眼相机的偏振成像方式，解算出偏振图像的对称线并以其作为参考方向来获取航向角等信息，例如中国专利CN201710027484.2。这种方式视角广，可以获取全天域偏振信息，鲁棒性较好，但采集的数据量大，很难做到实时处理。点源式偏振光检测通常是对复眼的单眼光通道内部偏振对立结构的仿生研制，利用光电二极管作为光信号感知元件，例如中国专利CN201510303533.1。这种传感方式计算量小、简易廉价，但视角小，只能采集局域天空偏振信息，受天气影响较大。而综合实时性强和受天气影响小等优势的偏振传感方式和解算方法未见报道。

本项目受昆虫复眼偏振敏感结构中的半球结构多通道的启发，设计了一种基于仿复眼多通道偏振传感器，将点源式的偏振传感器通道均匀分布在半球结构基座上。在拓宽视角的同时，不会大幅增加数据的运算量。同时提出基于此结构传感器的新型太阳矢量解算方法，该方法利用标量信息偏振度来代替传统偏振解算中利用的矢量信息偏振方位角，同样在一定程度上降低了运算的复杂度，提高计算效率和解算的实时性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明为解决现有传感器计算实时性和环境适应能力不能同时满足的问题，提出了一种基于仿复眼多通道偏振传感器结构模型，并基于此模型设计了基于偏振度的太阳矢量解算方法，提高偏振传感器的解算速度和观测视角范围。同时可适用于多云天气环境下，提高偏振传感器的鲁棒性与环境适应性。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法，其实现步骤如下：

(1)设计仿复眼多通道偏振传感器结构。该传感器为一个半球结构，在半球球壳表面以一定模式均匀分布偏振感知通道，其分布遵循以下规律：

i.半球表面的纬度圈，从0°到90°以Δl为间隔均匀分布

个纬度圈，其中第i个纬度圈的纬度可表示为

ii.为保证该仿复眼多通道偏振传感器对天球取点的均匀性，半球表面通道分布同样需求均匀分布，因此在每个纬度圈上的偏振通道均匀分布的数量n如下：

其中round(x)表示对x四舍五入取整，仿复眼多通道偏振传感器整体视角可达180°，以半球球心为坐标原点O，半球截面为xOy面，球心与半球顶点连线为z轴，建立单位球坐标系，即模块坐标系，每个偏振感知通道可表示为Ch_iu,Ch_jw,Ch_kv,...，其中下标第一个字母i,j,k,...分别表示为从球顶点向下第i,j,k,...个纬度圈，下标第二个字母u,w,v,...分别表示为从xOz平面顺时针方向第u,w,v,...个通道，每个通道的安装角度为该通道对应的观测矢量，均可由其在模块坐标系下的方位角

和高度角h_iu,h_jw,h_kv,...来表示。若通道Ch的安装的方位角和高度角分别为

和h，此通道对应的天球上的被观测点P，则此通道观测矢量

(2)从步骤(1)设计的仿复眼多通道偏振传感器获取天球多点偏振度信息，通过以下偏振度测量值选取策略，获得最佳的三个偏振度测量值。偏振度测量值选取准则如下：

首先要考虑到多通道传感器测量会出现野值的情况，故要剔除偏振度不小于1的测量值，筛选出有效的偏振度测量值。同时由于云层对偏振光具有消偏的作用，会使测量到的偏振度值较低，所以为保证作为解算输入的偏振度信息符合瑞利散射模型，需比较所有通道测量的偏振度的值，从中选取偏振度最大的m个值，m的选取由天空总云量Cc和仿复眼多通道偏振传感器的通道总数Toc决定的，如下：

其中

表示对x向下取整，从中不重复地选取三个偏振度d_iu,d_jw,d_kv作为一组计算输入，其对应的三个通道分别Ch_iu,Ch_jw,Ch_kv，并且已知三个通道所对应的方位角

和高度角h_iu,h_jw,h_kv，从m个偏振度中不重复地选取三个偏振的方式共有

组，每组可计算出一个太阳矢量，为提高计算的精度，需对每组计算结果求加权平均，每组的权值W_g,(g＝1,2,3,...,t)计算方法如下：

其中

表示两通道Ch_iu,Ch_jw与球心连线夹角。

(3)建立非线性方程组。对于其中一个通道Ch对应的天球上的被观测点P，因此在天球球面上，在被观测点P、太阳点S与模块系天顶点Z构成的球面三角形ΔPSZ由球面三角形余弦定理建立如下关系：

其中，θ表示通道Ch观测矢量

与太阳矢量

之间的夹角，由于两矢量同时在半球内，故θ∈[0,2π]，

及h分别为通道Ch在模块坐标系中安装的方位角和高度角，h_s为模块系下的太阳高度角，由物理约束可知

为太阳在模块坐标系下的方位角，

基于瑞利散射理论，被观测点偏振度、观测矢量与全天域最大偏振度之间有如下关系：

其中，d表示Ch通道所测量的天空点P的偏振度，d_max为全天域最大偏振度，由偏振度定义可知偏振度在理论上最大为1，由于在实际环境中受到米氏散射和多次瑞利散射等影响使得最大偏振度d_max不能达到1，同时，d_max不小于任一通道测量的偏振度的值，故可确定d_max的范围为：d_max∈[max{d_iu,d_jw,d_kv,...},1),其中d_iu,d_jw,d_kv,...表示所有通道测量值指剔除不小于1的值后剩余的有效值。

每个通道存在上述两个关系式，则由选取的三个通道Ch_iu,Ch_jw,Ch_kv可得到如下非线性方程组：

(4)通过解算步骤(3)建立的非线性方程组，得到模块坐标系下太阳矢量，具体实现方法如下：

在步骤(3)建立的非线性方程组中，含有θ_iu,θ_jw,θ_kv,h_s,

及d_max六个未知数，可用最小二乘法来求解方程组数值解，由权利要求4可确定各参数范围如下：

在求解过程中需要对未知参数赋初值，在上述参数范围内选取各参数中间值作为参数初值，从而解算出太阳的高度角h_s和方位角

利用d_iu,d_jw,d_kv这一组数据作为解算输入，可得一个太阳矢量

该太阳矢量对应的权值为W_g.综合t组数据，可解算出模块坐标下的太阳的高度角h_s和方位角

即得模块系下的太阳矢量

为：

与现有的技术相比，本发明具有以下的优点：

(1)点源式传感器解算速度快、实时性强，但视角有限，鲁棒性较低；图像式偏振传感器视角大、鲁棒性强但运算量较大，太阳矢量解算速度慢。本发明充分融合两方面的优点，通过仿生的方式构建仿复眼多通道偏振传感器模型，提高了天空观测视角；同时利用偏振度这一标量信息作为解算输入，减小了偏振方位角这一矢量信息带来的运算量，提高了对太阳矢量的解算效率。

(2)考虑云层具有的消偏作用，会使相应的通道测量到的偏振度值较小，通过选取最大的三个偏振度可提高输入信息的可靠性，进而保证获取的太阳矢量的准确性，可提高传感器的环境适应能力。

附图说明

图1为本发明一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法的流程图；

图2为本发明涉及的仿复眼结构偏振传感器示意图；

图3为本发明涉及的模块坐标系下太阳点S与被观测点P在天球中的几何关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法，具体实现步骤为：

1、设计仿复眼多通道偏振传感器结构。该仿复眼多通道偏振传感器为一个半球结构，在半球球壳表面以一定模式均匀分布偏振感知通道，其分布遵循以下规律：

i.半球表面的纬度圈，从0°到90°以Δl为间隔均匀分布

个纬度圈，其中第i个纬度圈的纬度可表示为

ii.为保证该仿复眼多通道偏振传感器对天球取点的均匀性，半球表面通道分布同样需求均匀分布，因此在每个纬度圈上的偏振通道均匀分布的数量n如下：

其中round(x)表示对x四舍五入取整，仿复眼多通道偏振传感器整体视角可达180°，以半球球心为坐标原点O，半球截面为xOy面，球心与半球顶点连线为z轴，建立单位球坐标系，即模块坐标系，每个偏振感知通道可表示为Ch_iu,Ch_jw,Ch_kv,...，其中下标第一个字母i,j,k,...分别表示为从球顶点向下第i,j,k,...个纬度圈，下标第二个字母u,w,v,...分别表示为从xOz平面顺时针方向第u,w,v,...个通道，每个通道的安装角度为该通道对应的观测矢量，均可由其在模块坐标系下的方位角

和高度角h_iu,h_jw,h_kv,...来表示。若通道Ch的安装的方位角和高度角分别为

和h，此通道对应的天球上的被观测点P，则此通道观测矢量

2、从步骤1设计的仿复眼多通道偏振传感器获取天球多点偏振度信息，通过以下偏振度测量值选取策略，获得最佳的三个偏振度测量值。偏振度测量值选取准则如下：

首先要考虑到多通道传感器测量会出现野值的情况，故要剔除偏振度不小于1的测量值，筛选出有效的偏振度测量值。同时由于云层对偏振光具有消偏的作用，会使测量到的偏振度值较低，所以为保证作为解算输入的偏振度信息符合瑞利散射模型，需比较所有通道测量的偏振度的值，从中选取偏振度最大的m个值，m的选取由天空总云量Cc和仿复眼多通道偏振传感器的通道总数Toc决定的，如下：

其中

表示对x向下取整，从中不重复地选取三个偏振度d_iu,d_jw,d_kv作为一组计算输入，其对应的三个通道分别Ch_iu,Ch_jw,Ch_kv，并且已知三个通道所对应的方位角

和高度角h_iu,h_jw,h_kv，从m个偏振度中不重复地选取三个偏振的方式共有

组，每组可计算出一个太阳矢量，为提高计算的精度，需对每组计算结果求加权平均，每组的权值W_g,(g＝1,2,3,...,t)计算方法如下：

其中

表示两通道Ch_iu,Ch_jw与球心连线夹角。

3、建立非线性方程组。在模块坐标系中，对于其中一个通道Ch对应的天球上的被观测点P，因此在天球球面上，在被观测点P、太阳点S与模块系天顶点Z构成的球面三角形ΔPSZ由球面三角形余弦定理建立如下关系：

其中，θ表示通道Ch观测矢量

与太阳矢量

之间的夹角，由于两矢量同时在半球内，故θ∈[0,2π]，

及h分别为通道Ch在模块坐标系中安装的方位角和高度角，h_s为模块系下的太阳高度角，由物理约束可知

为太阳在模块坐标系下的方位角，

基于瑞利散射理论，被观测点偏振度、观测矢量与全天域最大偏振度之间有如下关系：

其中，d表示Ch通道所测量的天空点P的偏振度，d_max为全天域最大偏振度，由偏振度定义可知偏振度在理论上最大为1。由于在实际环境中受到米氏散射和多次瑞利散射等影响使得最大偏振度d_max不能达到1，同时，d_max不小于任一通道测量的偏振度的值，故可确定d_max的范围为：d_max∈[max{d_iu,d_jw,d_kv,...},1),其中d_iu,d_jw,d_kv,...是所有通道测量值指剔除不小于1的值后剩余的有效值。

每个通道存在上述两个关系式，则由选取的三个通道Ch_iu,Ch_jw,Ch_kv可得到如下非线性方程组：

4、通过解算步骤3建立的非线性方程组，得到模块坐标系下太阳矢量，具体实现方法如下：

在步骤3建立的非线性方程组中，含有θ_iu,θ_jw,θ_kv,h_s,

及d_max六个未知数，可用最小二乘法来求解方程组数值解，由步骤3可确定各参数范围如下：

在求解过程中需要对未知参数赋初值，在上述参数范围内选取各参数中间值作为参数初值，从而解算出太阳的高度角h_s和方位角

利用d_iu,d_jw,d_kv这一组数据作为解算输入，可得一个太阳矢量

该太阳矢量对应的权值为W_g综合t组数据，可解算出模块坐标下的太阳的高度角h_s和方位角

即得模块系下的太阳矢量

为：

Claims (4)

1.一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法，其特征在于：实现步骤如下：

步骤(1)设计仿复眼多通道偏振传感器结构；

步骤(2)设计偏振度选取准则，利用仿复眼多通道偏振传感器结构获取各通道所对应天空中被观测点的偏振度信息，并按准则从中选取特定个数的偏振度测量值，不重复地取其中三个值作为一组解算输入，并确定该组输入的权值；

步骤(3)根据每个通道的安装矩阵建立与太阳矢量几何关系，并由测量偏振度建立与全天域最大偏振度约束关系，建立一组非线性方程组；

步骤(4)利用非线性方程组解算该组输入对应的太阳矢量，对多组太阳矢量求解加权平均，实现对模块坐标系下太阳矢量的解算；

其中，所述步骤(1)仿复眼多通道偏振传感器结构具体设计如下：

该仿复眼多通道偏振传感器为一个半球结构，在半球球壳表面以一定模式均匀分布偏振感知通道，其分布遵循以下规律：

i.半球表面的纬度圈，从0°到90°以Δl为间隔均匀分布

个纬度圈，其中第i个纬度圈的纬度可表示为

ii.为保证该仿复眼多通道偏振传感器对天球取点的均匀性，半球表面通道分布同样需要均匀分布，因此在每个纬度圈上的偏振通道均匀分布的数量n如下：

其中round(x)表示对x四舍五入取整，仿复眼多通道偏振传感器整体视角可达180°，以半球球心为坐标原点O，半球截面为xOy面，球心与半球顶点连线为z轴，建立单位球坐标系，即模块坐标系，每个偏振感知通道可表示为Ch_iu,Ch_jw,Ch_kv,...，其中下标第一个字母i,j,k,...分别表示为从球顶点向下第i,j,k,...个纬度圈，下标第二个字母u,w,v,...分别表示为从xOz平面顺时针方向第u,w,v,...个通道，每个通道的安装角度为该通道对应的观测矢量，均可由其在模块坐标系下的方位角

和高度角h_iu,h_jw,h_kv,...来表示；若通道Ch的安装的方位角和高度角分别为

和h，此通道对应的天球上的被观测点P，则此通道观测矢量

2.根据权利要求1所述的一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法，其特征在于：所述步骤(2)天球上各被观测点的偏振度测量值选取准则，具体实现如下：

首先要考虑到仿复眼多通道偏振传感器测量会出现野值的情况，故要剔除偏振度不小于1的测量值，筛选出有效的偏振度测量值，同时由于云层对偏振光具有消偏的作用，会使测量到的偏振度值较低，所以为保证作为解算输入的偏振度信息符合瑞利散射模型，需比较所有通道测量的偏振度的值，从中选取偏振度最大的m个值，m的选取由天空总云量Cc和仿复眼多通道偏振传感器的通道总数Toc决定的，如下：

其中

表示对x向下取整，从中不重复地选取三个偏振度d_iu,d_jw,d_kv作为一组计算输入，其对应的三个通道分别Ch_iu,Ch_jw,Ch_kv，并且已知三个通道所对应的方位角

和高度角h_iu,h_jw,h_kv，从m个偏振度中不重复地选取三个偏振的方式共有

组，每组可计算出一个太阳矢量，为提高计算的精度，需对每组计算结果求加权平均，每组的权值W_g,(g＝1,2,3,...,t)计算方法如下：

其中

表示两通道Ch_iu,Ch_jw与球心连线夹角。

3.根据权利要求2所述的一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法，其特征在于：所述步骤(3)中的非线性方程组的建立方法如下：

在模块坐标系中，对于其中一个通道Ch对应的天球上的被观测点P，因此在天球球面上，在被观测点P、太阳点S与模块系天顶点Z构成的球面三角形ΔPSZ由球面三角形余弦定理建立如下关系：

其中，θ表示通道Ch观测矢量

与太阳矢量

之间的夹角，由于两矢量同时在半球内，故θ∈[0,2π]，

及h分别为通道Ch在模块坐标系中安装的方位角和高度角，h_s为模块系下的太阳高度角，由物理约束可知

为太阳在模块坐标系下的方位角，

基于瑞利散射理论，被观测点偏振度、观测矢量与全天域最大偏振度之间有如下关系：

其中，d表示Ch通道所测量的天空点P的偏振度，d_max为全天域最大偏振度，由偏振度定义可知偏振度在理论上最大为1，由于在实际环境中受到米氏散射和多次瑞利散射影响使得最大偏振度d_max不能达到1，同时，d_max不小于任一通道测量的偏振度的值，故可确定d_max的范围为：d_max∈[max{d_iu,d_jw,d_kv,...},1], 其中d_iu,d_jw,d_kv,...表示所有通道测量值指剔除不小于1的值后剩余的有效值；

每个通道存在上述两个关系式，则由选取的三个通道Ch_iu,Ch_jw,Ch_kv可得到如下非线性方程组：

4.根据权利要求3所述的一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法，其特征在于：所述步骤(4)解算非线性方程组并得到模块坐标系下太阳矢量的具体实现方法如下：

在此非线性方程组中，含有θ_iu,θ_jw,θ_kv,h_s,

及d_max六个未知数，可用最小二乘法来求解方程组数值解，可确定各参数范围如下：

在求解过程中需要对未知参数赋初值，在上述参数范围内选取各参数中间值作为参数初值，从而解算出太阳的高度角h_s和方位角

利用d_iu,d_jw,d_kv这一组数据作为解算输入，可得一个太阳矢量

该太阳矢量对应的权值为W_g，综合t组数据，可解算出模块坐标下的太阳的高度角h_s和方位角

即得模块系下的太阳矢量

为：

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