一种基于日月共同影响下的大气偏振模式建模方法

1.本发明属于智能信息获取与处理以及偏振光导航技术领域，基于自然偏振信息不断对模型进行改进优化，特别涉及基于日月共同影响下的大气偏振模式建立，以此简化偏振光导航应用。


背景技术：

2.导航技术无论在民用还是军事领域，都有着极为广泛的应用，而基于地球自然属性的导航方法因其抗干扰能力较强、不易受干扰的特点得到了广泛的关注。大气偏振模式具有十分丰富的时空信息，通过研究大气偏振模式的建模表征方法，分析其分布特征，可以获得时间信息、空间方位等信息，对于利用偏振光进行自主导航有十分重要的价值和意义。
3.从太阳发射的光线本身是无偏的，在穿过大气层时，由于各种大气粒子对光线的吸收、散射等作用，如氧气、水滴和尘埃等，使其产生了偏振特性，在宏观上呈现出一种稳定且规律性分布的大气偏振模式。该模式与太阳位置、大气环境、天气情况等因素密切相关，其中主要包括偏振度、偏振化方向、中性点位置等参数信息，蕴含了重要的导航信息，因此建立一个可以描述其真实分布特性的解析模型是理解并实现偏振光导航行为的前提。
4.目前对于大气偏振的描述产生了两大类模型，均取得了一定的成果。第一类模型主要是通过分析地球大气成分，了解它的结构和动态信息，进一步求解矢量辐射传递方程，从而构建大气偏振模形。这种建模方法主要有倍加累加法、离散坐标法等，但该类建模方法计算过程复杂，并且容易受到初始条件的影响，使其在很多情况下的应用得到了限制。第二类模型则是通过分析大气偏振模式的分布规律，从特征描述的角度出发，关注天空偏振光分布模式整体呈现的规律及特征，建立简单实用的大气偏振模式解析模型，如瑞利单次散射模型、奇异值理论模型等，第二类模型在大规模的计算速度和准确性之间采取了折中的方式。
5.在现有的模型中，并没有一个较为完备的天空偏振模式解析模型，并且模型只考虑了一个光源的位置，即单独研究了太阳和月亮的偏振模式，并分别对其进行了理论描述，但这两种模式尚未一起分析，当太阳和月亮都处于天空时，忽略太阳和月亮偏振模式之间的相互影响也会引起实测数据与模拟结果之间的误差。


技术实现要素：

6.本发明针对上述技术存在的不足之处，提供一种基于日月共同影响下的大气偏振模式建模方法，以期能降低大气偏振模型计算复杂度，并能提升大气偏振模型的准确率，从而为偏振光导航获取航向信息提供更为可靠的依据。
7.本发明解决技术问题采用如下技术方案：
8.本发明一种基于日月共同影响下的大气偏振模式建模方法的特点在于，是按如下步骤进行：
9.步骤1：根据鱼眼镜头的成像特性，构建等距成像模式下的二维平面表征；
10.步骤1.1：以地面观测位置为原点，地理正北方向为y轴，地理正东方向为x轴，以向着天顶点的方向为z轴，建立描述理论大气偏振模式的三维空间坐标系oxyz；
11.令v
′
代表鱼眼镜头的等距成像模式下，观测点v投影到二维平面xoy上的投影点；
12.令观测点v的高度角为αv＝90
°‑
θv，其中，θv表示观测点v的天顶角，令ω表示观测点v所在镜头的半视场角，且θv＝ω；
13.利用式(1)得到等距模式下成像高度y0与镜头的半视场角ω的关系式：
14.y0＝fω(1)
15.式(1)中，f代表鱼眼镜头的焦距；
16.步骤1.2：根据等距成像模式规律，利用式(2)得到投影点v
′
的方位角
[0017][0018]
式(2)中，xv′
、yv′
为投影点v
′
在x、y轴上的投影位置；
[0019]
利用式(3)得到投影点v
′
的天顶角θv′
：
[0020][0021]
步骤2：根据berry散射理论，建立等距成像模式下的大气偏振模型；
[0022]
步骤2.1：在所述三维空间坐标系oxyz中，将半球面上观测点v的位置信息表示为其中，r是半球面的半径，θv是观测点v的天顶角、是观测点v的方位角；
[0023]
令太阳点s在半球面上的空间位置为其中，θs表示太阳点s的天顶角，表示太阳点s的方位角，令太阳的高度角αs＝90
°‑
θs；
[0024]
当太阳点s的高度角为αs时，利用式(4)得到太阳点s所处平面在xoy平面上的投影圆半径为rs：
[0025][0026]
步骤2.2：令观测点中偏振度等于0的点为中性点，由太阳点s和反太阳点as分裂后得到四个中性点，从而利用式(5)得到四个中性点的位置，并依次记为v
s+
,v
s-,v
as+
,v
as-：
[0027][0028]
式(5)中，l为中心点畸变程度的参量，ys为太阳点s在y轴上的投影位置；v
s+
和v
s-为太阳点s分裂的两个中性点的位置，v
as+
和v
as-为反太阳点as分裂的两个中性点的位置，i表示复数的虚数单位；
[0029]
利用式(6)得到观测点v的偏振度|w(v)|：
[0030]
[0031]
步骤3：改进等距成像模式下的大气偏振模型；
[0032]
步骤3.1：利用式(7)建立观测点v的光强信息和偏振度信息之间的关联因式i(θv,γv)：
[0033][0034]
式(7)中，γv为观测点v对应的散射角，f(θv,γv)为观测点v位置的光强分布方程，f
ls
表示光源ls位置的光强分布方程，f
90
表示与光源角距为90
°
位置的光强分布方程；
[0035]
步骤3.2：利用式(8)建立地平线区域在观测点v的去偏振化因式e(θv)：
[0036][0037]
式(8)中，n为去偏振化影响的控制参量；
[0038]
步骤3.3：利用式(9)得到大气偏振模式下最大偏振度的控制因子q(t,α
ls
)：
[0039][0040]
式(9)中，α
ls
为光源ls的高度角，t为大气浑浊度，k1，k2，k3为三个经验系数；
[0041]
步骤3.4：利用式(10)得到优化后光源ls的偏振度dop
ls
：
[0042][0043]
步骤4：获取大气偏振模式中月亮影响因子；
[0044]
步骤4.1：根据天文地理位置信息获取以月亮为中心时太阳和地球之间的角距β，从而根据式(11)得到月相信息p(β)：
[0045][0046]
步骤4.2：利用式(12)得到月亮m的反照率信息am：
[0047][0048]
式(12)中，gi代表相角的i次方，ai表示第i个相角系数，φ
2i-1
代表太阳经度的2i-1次方，bi表示第i个太阳经度系数；k表示拟合次数；
[0049]
步骤4.3：利用式(13)得到月亮m的影响因子infm：
[0050]
infm＝p(β)
·am
(13)
[0051]
步骤5：利用式(14)得到日月共同影响下的偏振度dop
sm
：
[0052]
dop
sm
＝(1-infm)
·
dops+infm·
dopm(14)
[0053]
式(14)中，dops为太阳点s影响下的偏振度，dopm为月亮m影响下的偏振度。
[0054]
本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述大气偏振模式建模方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
[0055]
本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述大气偏振模式建模方法的步骤。
[0056]
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0057]
1、本发明针对已有传统模型的不足之处，提出了对应的优化策略，并对已有模型仅针对单个光源进行分析的情况，提出了一种基于日月共同影响下的大气偏振模式建模方法，使得大气偏振模型结果更接近与实际天空的大气偏振模式。
[0058]
2、本发明建立的基于成像理论的大气偏振模式表征模型，解决了天空偏振模型在由三维空间映射到二维平面时，映射方式与实际成像原理有较大差异的问题。在建立模型的过程中，充分考虑了成像系统的光学成像原理，使得天空观测点与像素点能够一一对应。
[0059]
3、本发明针对天空中太阳和月亮会同时出现的情景，在已有理论模型的基础上，利用偏振信息采集设备获取该情景下实际的大气偏振模式，之后通过分析月亮影响因子，得到日月共同影响下的大气偏振模型，以便在模型中更准确的提取可用于偏振光导航的信息。
附图说明
[0060]
图1为本发明中建立的大气偏振模式成像关系的示意图；
[0061]
图2为本发明中建立的大气偏振模式三维空间直角坐标系示意图。
具体实施方式
[0062]
大气偏振模式蕴含着丰富的导航信息，利用大气偏振模式的分布特性可以获取导航所需的航向角信息，而如何利用模型获取与实际天空偏振模式分布对应观测点的偏振信息则是实现基于日月共同影响下建模方法的关键。
[0063]
大气偏振模式具有与时间相关的、稳定的空间分布，因此，在获取实际大气偏振模式的基础上，加入能够影响实际天空偏振分布的影响因子，能提高观测点偏振度信息的精度，进而达到更为准确的理论结果。
[0064]
本实施例中，一种基于日月共同影响下的大气偏振模式建模方法，是根据实际的大气偏振模式，优化已有的传统偏振模型，并补充了日月共同出现在天空中这一特殊情况，其过程按如下步骤进行：
[0065]
步骤1：根据鱼眼镜头的成像特性，构建等距成像模式下的二维平面表征；
[0066]
步骤1.1：以地面观测位置为原点，地理正北方向为y轴，地理正东方向为x轴，以向着天顶点的方向为z轴，建立描述理论大气偏振模式的三维空间坐标系oxyz；
[0067]
参见图1，其中(a)为半球的子午线切面，(b)为大气偏振模式的成像关系；
[0068]
令v
′
代表鱼眼镜头的等距成像模式下，观测点v投影到二维平面xoy上的投影点；
[0069]
令观测点v的高度角为αv＝90
°‑
θv，其中，θv表示观测点v的天顶角，ω表示观测点v所在镜头的半视场角，且θv＝ω；
[0070]
利用式(1)得到等距模式下成像高度y0与镜头的半视场角ω的关系式：
[0071]
y0＝fω(1)
[0072]
式(1)中，f代表鱼眼镜头焦距；
[0073]
步骤1.2：根据等距成像模式规律，利用式(2)得到投影点v
′
的方位角
[0074][0075]
式(2)中，xv′
、yv′
为投影点v
′
在x、y轴上的投影位置；
[0076]
利用式(3)得到投影点v
′
的天顶角θv′
：
[0077][0078]
步骤2：根据berry散射理论，建立等距成像模式下的大气偏振模型；
[0079]
步骤2.1：参见图2，在所述三维空间坐标系oxyz中，将半球面上观测点v的位置信息表示为其中，r是半球面的半径，θv是观测点v的天顶角、是观测点v的方位角；
[0080]
令太阳在半球面上的空间位置为其中，θs表示太阳的天顶角，表示太阳的方位角，令太阳的高度角αs＝90
°‑
θs；
[0081]
当太阳高度角为αs时，利用式(4)得到太阳所处平面在xoy平面上的投影圆半径为rs：
[0082][0083]
步骤2.2：令观测点中偏振度等于0的点为中性点，太阳点和反太阳点会分裂得到四个中性点，
[0084]
利用式(5)得到四个中性点的位置并记为v
s+
,v
s-,v
as+
,v
4as-：
[0085][0086]
式(5)中，l中心点畸变程度的参量，在本实施例中，l设置为0.18，ys为太阳s在y轴上的投影位置；v
s+
和v
s-为太阳点s分裂的两个中性点，v
as+
和v
as-为反太阳点as分裂的两个中性点，i表示复数的虚数单位；
[0087]
利用式(6)得到观测点v的偏振度|w(v)|：
[0088][0089]
步骤3：改进等距成像模式下的大气偏振模型；
[0090]
步骤3.1：利用式(7)建立观测点v的光强信息和偏振度信息之间的关联因式i(θv,γv)：
[0091][0092]
式(7)中，γv为观测点v对应的散射角，f(θv,γv)为观测点v位置的光强分布方程，f
ls
表示光源ls位置的光强分布方程，f
90
表示与光源角距为90
°
位置的光强分布方程；
[0093]
步骤3.2：利用式(8)建立地平线区域在观测点v的去偏振化因式e(θv)：
[0094]
[0095]
式(8)中，n偏振化影响的控制参量，在本实施例中，n设置为10；
[0096]
步骤3.3：利用式(9)得到大气偏振模式下最大偏振度的控制因子q(t,α
ls
)：
[0097][0098]
式(9)中，α
ls
为光源ls的高度角，t为大气浑浊度，在本实施例中，晴朗大气情况下的t设置为3，k1，k2，k3为三个经验系数，在模型中分别设置为0.78、5、0.76；
[0099]
步骤3.4：利用式(10)得到优化后光源ls的偏振度dop
ls
：
[0100][0101]
步骤4：获取大气偏振模式中月亮影响因子；
[0102]
步骤4.1：根据天文地理位置信息获取以月亮为中心时太阳和地球之间的角距β，从而根据式(11)得到月相信息p(β)：
[0103][0104]
步骤4.2：利用式(12)得到月亮m的反照率信息am：
[0105][0106]
式(12)中，gi代表相角的i次方，ai表示第i个相角系数，φ
2i-1
代表太阳经度的2i-1次方，bi表示第i个太阳经度系数，k表示拟合次数；在本实施例中，k设置为3；
[0107]
步骤4.3：利用式(13)得到月亮m的影响因子infm：
[0108]
infm＝p(β)
·am
(13)
[0109]
步骤5：利用式(14)得到日月共同影响下的偏振度dop
sm
：
[0110]
dop
sm
＝(1-infm)
·
dops+infm·
dopm(14)
[0111]
式(14)中，dops为太阳影响下的偏振度，dopm为月亮影响下的偏振度；
[0112]
综上所述，本发明是一种新的建模方法，在建立了大气偏振模式三维空间坐标系和基于成像理论的大气偏振模式表征模型的基础上，根据实际的大气偏振模式，优化已有的传统偏振模型，提高了各个观测点偏振信息的精度，并补充了日月共同出现在天空中这一特殊情况，建立了日月共同影响下的新模型，相对于第一类模型计算复杂度得到了降低，模型的准确率还得以提升，为偏振光导航获取航向信息提供了更为可靠的依据。
[0113]
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行上述方法的程序，该处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。
[0114]
本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。

技术特征：
1.一种基于日月共同影响下的大气偏振模式建模方法，其特征在于，是按如下步骤进行：步骤1：根据鱼眼镜头的成像特性，构建等距成像模式下的二维平面表征；步骤1.1：以地面观测位置为原点，地理正北方向为y轴，地理正东方向为x轴，以向着天顶点的方向为z轴，建立描述理论大气偏振模式的三维空间坐标系oxyz；令v
′
代表鱼眼镜头的等距成像模式下，观测点v投影到二维平面xoy上的投影点；令观测点v的高度角为α
v
＝90
°‑
θ
v
，其中，θ
v
表示观测点v的天顶角，令ω表示观测点v所在镜头的半视场角，且θ
v
＝ω；利用式(1)得到等距模式下成像高度y0与镜头的半视场角ω的关系式：y0＝fω(1)式(1)中，f代表鱼眼镜头的焦距；步骤1.2：根据等距成像模式规律，利用式(2)得到投影点v
′
的方位角的方位角式(2)中，x
v
′
、y
v
′
为投影点v
′
在x、y轴上的投影位置；利用式(3)得到投影点v
′
的天顶角θ
v
′
：步骤2：根据berry散射理论，建立等距成像模式下的大气偏振模型；步骤2.1：在所述三维空间坐标系oxyz中，将半球面上观测点v的位置信息表示为其中，r是半球面的半径，θ
v
是观测点v的天顶角、是观测点v的方位角；令太阳点s在半球面上的空间位置为其中，θ
s
表示太阳点s的天顶角，表示太阳点s的方位角，令太阳的高度角α
s
＝90
°‑
θ
s
；当太阳点s的高度角为α
s
时，利用式(4)得到太阳点s所处平面在xoy平面上的投影圆半径为r
s
：步骤2.2：令观测点中偏振度等于0的点为中性点，由太阳点s和反太阳点as分裂后得到四个中性点，从而利用式(5)得到四个中性点的位置，并依次记为v
s+
,v
s-,v
as+
,v
as-：式(5)中，l为中心点畸变程度的参量，y
s
为太阳点s在y轴上的投影位置；v
s+
和v
s-为太阳点s分裂的两个中性点的位置，v
as+
和v
as-为反太阳点as分裂的两个中性点的位置，i表示复数的虚数单位；
利用式(6)得到观测点v的偏振度w(v)：步骤3：改进等距成像模式下的大气偏振模型；步骤3.1：利用式(7)建立观测点v的光强信息和偏振度信息之间的关联因式i(θ
v
,γ
v
)：式(7)中，γ
v
为观测点v对应的散射角，f(θ
v
,γ
v
)为观测点v位置的光强分布方程，f
ls
表示光源ls位置的光强分布方程，f
90
表示与光源角距为90
°
位置的光强分布方程；步骤3.2：利用式(8)建立地平线区域在观测点v的去偏振化因式e(θ
v
)：式(8)中，n为去偏振化影响的控制参量；步骤3.3：利用式(9)得到大气偏振模式下最大偏振度的控制因子q(t,α
ls
)：式(9)中，α
ls
为光源ls的高度角，t为大气浑浊度，k1，k2，k3为三个经验系数；步骤3.4：利用式(10)得到优化后光源ls的偏振度dop
ls
：步骤4：获取大气偏振模式中月亮影响因子；步骤4.1：根据天文地理位置信息获取以月亮为中心时太阳和地球之间的角距β，从而根据式(11)得到月相信息p(β)：步骤4.2：利用式(12)得到月亮m的反照率信息a
m
：式(12)中，g
i
代表相角的i次方，a
i
表示第i个相角系数，φ
2i-1
代表太阳经度的2i-1次方，b
i
表示第i个太阳经度系数；k表示拟合次数；步骤4.3：利用式(13)得到月亮m的影响因子inf
m
：inf
m
＝p(β)
·
a
m
(13)步骤5：利用式(14)得到日月共同影响下的偏振度dop
sm
：dop
sm
＝(1-inf
m
)
·
dop
s
+inf
m
·
dop
m
(14)式(14)中，dop
s
为太阳点s影响下的偏振度，dop
m
为月亮m影响下的偏振度。2.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1所述大气偏振模式建模方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
3.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1所述大气偏振模式建模方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于日月共同影响下的大气偏振模式建模方法，是针对太阳和月亮作为光源均处于天空中的特殊天气情境下，利用偏振成像设备获取大气偏振模式的分布规律进，并在建立大气偏振模式三维空间坐标系和成像坐标系的基础上，获得天空中各个观测点的偏振信息。本发明是一种更为准确的大气偏振模式建模方法，使得模型与实际大气偏振模式更为接近，并能应用于偏振光导航以及定位。并能应用于偏振光导航以及定位。并能应用于偏振光导航以及定位。


技术研发人员：王昕 周育民 潘沛锋 高隽
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/9