[发明专利]一种水下光纹罗盘装置

说明书

本发明提供一种水下光纹罗盘装置，属于水下导航技术领域，包括成像部分和处理显示部分。成像部分包括偏振片、电动机械装置、成像装置以及成像控制器，处理显示部分由数字光谱处理器完成。其基本原理是在成像控制器控制偏振系统中内置的偏振片旋转，将太阳光分离成不同偏振状态的偏振光；采用成像模块拍摄记录分离后天空光的偏振图像；使用光谱分析模块将记录下来的偏振图像集进行图像处理，获取天空光各个波长的偏振分布特征图像，并生成具有波长、亮度和偏振分布等信息的天空光纹，信号处理分析模块依据时间、经纬度和历史光纹信息，判断基准“正北”方向，并将方向显示在显示模块上，从而为水下工作的人员设备提供基准方向。

技术领域

本发明涉及一种水下导航装置，具体的，是一种水下光纹罗盘装置，属于水下导航定位技术领域。

背景技术

水下无人航行器(Unmanned underwater vehicle,UUV)是海洋探测、开发的重要工具，精准的水下定位方法是顺利完成各种任务的重要保障。由于水介质对无线电波的强烈吸收效应，卫星导航定位系统无法应用于UUV。目前常用的水下定位技术主要有惯性导航、水声导航定位、地球物理导航定位，惯性导航系统和水下声学导航技术发展得比较成熟。但是，惯性导航误差随时间累积，导航精度低；水声导航需要搭载水听器，存在传输时间延迟、易受水下环境影响等问题。两者的性能受到成本、范围以及UUV任务校正周期的限制。虽然通过使用AUV任务海域的现有地图，地球物理导航系统可以提供较为廉价并更为准确的定位导航方法，但是水下地形地貌不确定因素多，精确的地磁场分布图、重力场分布图、海底地形图和海流数据库难以获取，地图获取和地貌特征识别困难，限制了这些方法的使用。

偏振光导航是受昆虫自主导航和觅食能力的启发，为水下导航提供一种新的解决方案。生物学研究表明，昆虫和其他动物的大脑能够在复杂的环境中实现稳健而高效的定位与导航。水生动物也可以检测出偏振光以进行水下航行，鲑鱼、螃蟹、金鱼、墨鱼等水生动物可以区分E-vector方向并表现出对偏振光的反应。螳螂虾可以感知偏振光，并在觅食后导航回到家中。已有的研究成果表明，基于偏振光技术的导航方法具有完全自主、误差不随时间累积和实时性好等优点，是一种行之有效的新型水下导航手段。国内外对于水下偏振光导航定位技术及系统的研究，集中于两个方面，一是通过理论推导论证水下偏振管导航的可行性，二是研究水下偏振光的传输模型为水下偏振导航提供理论依据。相关处于理论探索阶段，尚未检索到有效的检测与记录手段。发明人认为，水下偏振光导航定位没有积累误差，也不需要精确的地磁分布和海流数据，是经典导航方法的有效补充。

发明内容

针对目前的导航定位技术受水下环境限制，不能满足UUV定位精度等要求，本发明旨在提供一种水下光纹罗盘装置，能够在水下环境中进行较为准确的方位角识别，以满足水下航行设备的定位和导航需求。

本发明的目的是提供一种水下偏振光定位装置，称之为光纹罗盘装置。

为实现上述目的，本发明公开下述技术方案：

本发明提供一种水下光纹罗盘装置，包括成像部分和处理显示部分，成像部分包括偏振片、机械装置及其控制装置、成像装置以及相应的成像控制器，处理显示部分由数字光谱处理器完成，其功能包括图像信号处理分析模块、偏振光纹生成模块、基准方向判定和显示模块。

进一步：所述成像部分，在成像控制器的控制下，通过偏振检测装置中内置的偏振片转动，将天空光分离成不同偏振状态的偏振光；使用成像模块拍摄记录不同偏振状态下的天空光的偏振图像；之后，将拍摄记录的偏振信息发送到数字光谱处理器中；

进一步：所述偏振控制系统还包括偏振片、驱动偏振片转动的电动机械装置、控制偏振片转动的成像控制器，该偏振系统用于控制偏振片转动，保证偏振片在规定的时间内完成对天空光的分离，便于偏振成像系统拍摄记录；

进一步：所述偏振成像系统包括低照度高清晰度的成像设备，该成像设备选用超广角鱼眼镜头，保证能最大限度的拍摄天空光的分布；控制偏振片转动和成像设备完成成像控制器，保证低照度高清晰度相机能跟随偏振片移动，使得低照度高清晰度成像设备能跟随偏振片转动拍摄记录不同角度的偏振光。