[发明专利]基于四象限偏振片的天空偏振模式探测方法与系统

说明书

本发明提供一种天空偏振模式探测系统和探测方法。技术方案一是：天空偏振模式探测系统包括镜头，四象限偏振片，手持式光场相机，四象限偏振片位于镜头光圈所在平面，由四个材料相同的偏振片组成。其中，相邻两个偏振片的偏振方向之间的夹角为45°。技术方案二是：天空偏振模式探测方法，包括下述步骤：第一步，利用天空偏振模式探测系统拍摄一幅天空图像，并将天空图像的灰度值转化为目标辐射的光强值。第二步，获得天空偏振度和偏振化方向角。本发明解决了现有方法应用于天空偏振模式探测时实时性差和系统结构复杂的问题。

技术领域

本发明的应用属于天文导航技术领域，涉及一种利用四象限偏振片和手持式光场相机探测天空偏振模式的方法与系统。

背景技术

利用天空光的偏振分布信息可以进行导航，它具有抗干扰能力强、成本较低等特点。为实现精确的天空偏振光导航，需要准确探测天空在较大视场范围内的偏振度和偏振化方向角信息。通常把偏振度和偏振化方向角信息一起称为偏振模式。目前用于大视场天空偏振模式探测的方法主要有两种，分别是基于光电二极管的方法和相机成像的方法。基于光电二极管的方法需要很多个光电二极管指向不同的天区测量，因而系统结构复杂，实现也较为困难。相机成像的方法借助于广角镜头可对大视场的天空区域直接成像，但是为了测量偏振模式需要获得多幅不同偏振方向下的天空图像，这往往需要通过一个相机多次拍摄或者多个相机同时拍摄两种途径来实现，前一实现途径实时性不强，后一实现途径会导致系统结构复杂。

总之，在实现大视场天空偏振模式探测时，现有的方法要么实时性差，要么系统结构复杂。手持式光场相机的出现为实现经过一次成像即可测量大视场天空偏振模式提供了可能。手持式光场相机是一种在普通相机的光敏感元件前安装有微透镜阵列的新型成像器件，它由华裔科学家Ren Ng于2005年发明。由于微透镜阵列的存在，手持式光场相机在对天空拍摄时每个微透镜都将某个特定视点下的天区成像为弥散光斑。将该弥散光斑按照不同区域分割利用，实现天空同一视点不同偏振方向下图像的获取，则可达到一次成像即完成大视场 天空偏振模式探测的目的。

发明内容

发明要解决的技术问题是：本发明基于一种天空偏振模式探测系统，提供一种天空偏振模式探测方法。本发明通过单个手持式光场相机对大视场天空的一次成像，即实现了天空偏振模式的探测，用于解决现有方法在天空偏振模式探测时要么因需要多次测量而使得系统实时性差，要么因需要多套测量单元而导致系统结构复杂的问题。

本发明的技术方案一是：

一种天空偏振模式探测系统，包括镜头，四象限偏振片，手持式光场相机。其特征在于，四象限偏振片位于镜头光圈所在平面，由四个材料相同的偏振片组成。其中，相邻两个偏振片的偏振方向之间的夹角为45°。

本发明的技术方案二是：

一种天空偏振模式探测方法，利用技术方案一提供的天空偏振模式探测系统，具体包括下述步骤：

第一步，利用天空偏振模式探测系统拍摄一幅天空图像，并将天空图像的灰度值转化为目标辐射的光强值。

第二步，获得天空偏振度和偏振化方向角。

设天空偏振模式探测系统中手持式光场相机的微透镜阵列包括M行、N列微透镜；任意微透镜Len_m,n对应的成像圆斑中心的像素在图像坐标系下的坐标为(X_m,n，Y_m,n)，其中第一个坐标元素表示像素在图像矩阵中的行序号，第二个坐标元素表示像素在图像矩阵中的列序号。图像坐标系约定如下：图像左上角为坐标系的原点，图像中竖直向下的方向为第一个坐标元素的正向，图像中水平向右的方向为第二个坐标元素的正向。成像圆斑半径为d个像素，其中d≥5， 1≤m≤M，1≤n≤N。本发明中所有微透镜的焦距相同，尺寸相同，成像圆斑直径也相同。

利用下式计算微透镜E_m,n对应的天区偏振度P_m,n和偏振化方向角θ_m,n：