[发明专利]一种基于仿复眼多通道偏振传感器的太阳矢量解算方法

说明书

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。

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：