CN106441310A - 一种基于cmos的太阳方位角计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CMOS的太阳方位角计算方法，首先，利用三通道CMOS偏振传感器获取各通道偏振图像测量信息，并对偏振图像做图像预处理；其次，利用在实验室内标定好的参数对图像预处理过的偏振图像测量信息补偿，获取偏振方位角；最后，充分利用基于CMOS的偏振传感器采样点多的优点，利用基于原始偏振图像信息得到偏振方位角的分布区间，选择偏振方位角计算式，获取太阳方位角。本发明具有精度高、计算量小的优点，可用于基于CMOS的偏振导航传感器的太阳方位角计算方法。

Description

一种基于CMOS的太阳方位角计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于CMOS的太阳方位角计算方法，可用于提升无人机或地面车辆用偏振光导航***的太阳方位角解算精度。

背景技术

大气偏振模式蕴含着太阳方位信息，可用于导航目的。本发明提出一种基于CMOS的太阳方位角计算方法，通过测量天空偏振光的方向和强度，得到太阳在模块坐标系(m系)下的方位角信息，结合天文年历信息，可以进一步获得载体的航向信息。

传统偏振导航方法受所用传感器器性能局限，未能充分利用大气偏振信息。一种基于六通道光电传感器的偏振方位角确定方法，专利号：201410046227，受限于光电式传感器空间分辨率低，所得偏振方位角精度有待提高。利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法，专利号：201010541166.6，提出一种基于偏振分布模式的导航定向方法，利用多个采样点的偏振信息得到太阳子午线所在位置，从而得到导航所需方向角信息，采样点多易受外界环境影响，且在线计算困难。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于CMOS的太阳方位角计算方法，利用载体上携带的偏振传感器得到天空偏振图像并进行图像预处理，然后利用在实验室内标定好的参数对图像预处理过的偏振图像测量信息补偿，获取偏振方位角。最后，充分利用基于CMOS的偏振导航传感器采样点多的优点，得到太阳方位角。

本发明的技术解决方案为：一种基于CMOS的太阳方位角计算方法，其特征实现步骤如下：

(1)利用三通道CMOS偏振传感器同时获取偏振图像数据Img₁、Img₂和Img₃，采用中值滤波对图像Img₁、Img₂和Img₃预处理，然后将三幅处理后的图像以图像中心为原点裁剪为10×10像素的方块，最后分别将三个10×10的像素矩阵求均值得到像素灰度均值S₁、S₂和S₃；

(2)利用在室内标定好的CMOS偏振传感器参数对像素灰度均值S₁、S₂和S₃进行补偿，求取模块坐标系(m系)下的偏振方位角φ＇；

(3)由步骤(1)所得的原始偏振图像信息Img₁，对图像Img₁依据模块坐标系(m系)分割图像，根据图像光强信息判断太阳在模块坐标系(m系)中的区间位置，由步骤(2)所得偏振方位角φ＇得到模块坐标系(m系)下的太阳方位角φ；

所述步骤(2)具体实现如下：

首先，三通道CMOS偏振传感器每个通道像素灰度均值可表示为：

S_n＝K_1nI(1+K_2ndcos2(φ＇-φ_n-Δφ_n))

其中，n∈{1,2,3}表示第n个通道，S_n表示第n个通道的像素灰度均值，S_n∈{S₁，S₂，S₃}，I表示相对光强功率，d表示偏振度，φ＇表示偏振方位角，φ_n为第n个通道的主检偏方向与模块坐标系(m系)x轴正方向夹角，且K_1n是第n个通道的CMOS器件电气性能有关的常数，K_2n是第n个通道的与偏振片消光比有关的常数，Δφ_n是第n个通道的由于偏振片实际检偏方向与预设方向的小角度误差；

然后，求取偏振方位角φ'：

将标定好的偏振传感器参数K_1n、K_2n和Δφ_n带入像素灰度均值S₁、S₂和S₃中，可得：

对P₁和P₂求解可得偏振方位角φ'计算公式：

其中，P₁、P₂、l₁、l₂、n₁、n₂均为中间变量，P₁是像素灰度均值S₂与S₁的比值，P₂是像素灰度均值S₃与S₁的比值，l₁、l₂、n₁、n₂满足下式：

所述步骤(3)具体实现如下：

如图2所示，偏振传感器水平安装在载体上(图中点o处)，镜头垂直对准天顶点t，以偏振传感器o点为原点建立模块坐标系M，模块坐标系x轴与y轴所在平面为传感器安装平面，且x轴与图3中通道1中实线所表示的主检偏方向相同，z轴方向服从右手定则指向天顶点t。将模块坐标系原点平移至原始偏振图像Img₁中心，设原始偏振图像Img₁在x轴上方的像素灰度值和为I₁，x轴下方的像素灰度值和为I₂。如果I₁>I₂，说明太阳在图像中位于象限1和2中，如果I₁<I₂，说明太阳在图像中位于象限3或4中。

通过判断x轴上方像素灰度值和和x轴下方像素灰度值和的大小关系，求取模块坐标系(m系)下太阳方位角φ：

其中，φ表示模块坐标系(m系)下的太阳方位角，φ∈(-π,π]。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了一种基于CMOS的太阳方位角方法，通过偏振传感器得到模块系下偏振图像，充分利用CMOS图像传感器采样点多的优点，得到模块坐标系(m系)下的太阳方位角，为载体提供快速、精确的导航信息。

(2)本发明采用的基于CMOS的偏振传感器为自主导航传感器，不受外界干扰，可以在复杂环境下实现无源、无辐射导航工作，且误差不随时间的积累，在应用过程中具有隐蔽性和自主性。

附图说明

图1为本发明的设计流程图；

图2为本发明涉及偏振方位角示意图；

图3为本发明涉及三通道CMOS偏振导航传感器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体实现步骤如下：

1、利用三通道CMOS偏振传感器获取三幅原始偏振图像Img₁、Img₂和Img₃，然后对原始偏振图像进行图像预处理，分别得到三幅图像的中心裁剪所得区域的像素灰度均值S₁、S₂和S₃；

如图2所示，偏振传感器水平安装在载体上，镜头沿着z轴垂直对准天顶点t，以偏振传感器中心o点为原点建立模块坐标系M，模块坐标系x轴与y轴所在水平面为传感器安装平面，且x轴与图3中通道1中实线所表示的主检偏方向相同，z轴方向服从右手定则指向天顶点t。点s表示太阳在水平面xoy中的投影点，有EE'过原点o，且EE'⊥so，则∠xoE即是偏振方位角φ',取值范围∠sox即是太阳方位角φ，取值范围(-π,π]。

对CMOS偏振传感器同时获取偏振图像数据Img₁、Img₂和Img₃做图像预处理，首先将三幅图分别做中值滤波，然后将三幅处理后的图像以图像中心为原点裁剪为10×10像素的方块，最后分别将三个10×10的像素矩阵求均值得到像素灰度均值S₁、S₂和S₃，本实施例中，选用像素10位的CMOS偏振传感器，取S₁＝338.87，S₂＝298.75和S₃＝322.17；

2、利用在室内标定好的CMOS偏振传感器参数对各通道像素灰度均值S₁、S₂和S₃进行补偿，求取模块坐标系(m系)下的偏振方位角φ＇，具体实现如下：

(1)三通道CMOS偏振传感器各通道像素灰度均值可表示为：

S_n＝K_1nI(1+K_2ndcos2(φ＇-φ_n-Δφ_n))

其中，在本实施例中，n∈{1,2,3}表示第n个通道，S_n表示第n个通道的像素灰度均值，I表示相对光强功率且I＝1，d表示偏振度，取值范围d∈[0,1]，φ＇表示偏振方位角，φ_n为第n个通道的主检偏方向与模块坐标系(m系)x轴正方向夹角，取φ₁＝0，K_1n是CMOS器件电气性能有关的常数，一般取K₁₁＝1,K₁₂∈[0.7,1.3],K₁₃∈[0.7,1.3]，K_2n是与偏振片消光比有关的常数，一般取K₂₁＝1，K₂₂∈[0.85,1.1],K₂₃∈[0.85,1.1]，Δφ_n是由于偏振片实际检偏方向与预设方向的小角度误差，与安装精度有关，取Δφ_n∈[-6°,6°]，K_1n、K_2n和Δφ_n由于是器件误差，具体数值以实际标定结果为准。在本实例中，取K_1n为K₁₁＝1,K₁₂＝0.9100,K₁₃＝1.0600，取K_2n为K₂₁＝1,K₂₂＝1.0085,K₂₃＝1.0057，Δφ₁＝0°,Δφ₂＝0.3760°,Δφ₃＝1.7674°。

(2)求取偏振方位角φ'：

将标定好的偏振传感器参数K_1n、K_2n和Δφ_n带入各通道像素灰度均值S₁、S₂和S₃中，可得：

其中，P₁、P₂、l₁、l₂、n₁、n₂均为中间变量，P₁是像素灰度均值S₂与S₁的比值，P₂是像素灰度均值S₃与S₁的比值，l₁、l₂、n₁、n₂满足下式：

带入后，可得偏振方位角φ'：

3、根据通道1图像光强信息，求取模块坐标系(m系)下太阳方位角，具体实现如下：

如图3所示，为三通道CMOS偏振导航传感器结构示意图，这里将步骤1中所述模块坐标系原点o平移至图中通道一中心处，图中实线表示为各个通道预设的主检偏方向，各主检偏方向与x轴正方向夹角即为φ_n，图中虚线表示实际偏振片安装方向，各通道实线与虚线的夹角即安装方向与各主检偏方向夹角为Δφ_n。设原始偏振图像Img₁在x轴上方的像素灰度值和为I₁，x轴下方的像素灰度值和为I₂。如果I₁>I₂，说明太阳在图像中位于象限1和2中，如果I₁<I₂，说明太阳在图像中位于象限3或4中。本实例中，由于I₁＝335.7，I₂＝476.5，所以可以根据下式：

得到模块坐标系下太阳方位角φ＝-68.298°。

Claims (3)

1.一种基于CMOS的太阳方位角计算方法，其特征实现步骤如下：

(1)利用三通道CMOS偏振传感器同时获取偏振图像数据Img₁、Img₂和Img₃，采用中值滤波对图像Img₁、Img₂和Img₃预处理，然后将三幅处理后的图像以图像中心为原点裁剪为10×10像素的方块，最后分别将三个10×10的像素矩阵求均值得到像素灰度均值S₁、S₂和S₃；

(2)利用在室内标定好的CMOS偏振传感器参数对像素灰度均值S₁、S₂和S₃进行补偿，求取模块坐标系下的偏振方位角φ＇；

(3)由步骤(1)所得的原始偏振图像信息Img₁，对图像Img₁依据模块坐标系分割图像，根据图像光强信息判断太阳在模块坐标系中的区间位置，由步骤(2)所得偏振方位角φ＇得到模块坐标系下的太阳方位角φ。

2.根据权利要求1所述的基于CMOS的太阳方位角计算方法，其特征在于：所述步骤(2)偏振方位角的求取方法如下：

1)三通道CMOS偏振传感器每个通道预处理结果可表示为：

S_n＝K_1nI(1+K_2nd cos2(φ＇-φ_n-Δφ_n))

其中，n∈{1,2,3}表示第n个通道，S_n表示第n个通道的像素灰度均值，S_n∈{S₁，S₂，S₃}，I表示相对光强功率，d表示偏振度，φ表示偏振方位角，φ_n为第n个通道的主检偏方向与模块坐标系x轴正方向夹角，且K_1n是第n个通道CMOS器件电气性能有关的常数，K_2n是第n个通道的与偏振片消光比有关的常数，Δφ_n是第n个通道由于偏振片实际检偏方向与预设方向的小角度误差；

2)求取模块坐标系下偏振方位角φ'：

将标定好的偏振传感器参数K_1n、K_2n和Δφ_n带入像素灰度均值S₁、S₂和S₃中，可得：

$P_1=\frac{S_2}{S_1}=\frac{K_{12}(1+K_{22}dcos2({\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&pi;}/3-{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_2\left)\right)}{K_{11}(1+K_{21}dcos2({\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}\left)\right)}$

$P_2=\frac{S_3}{S_1}=\frac{K_{13}(1+K_{23}dcos2({\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}-2\mathrm{\&pi;}/3-{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_3\left)\right)}{K_{11}(1+k_{21}dcos2({\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}\left)\right)}$

对P₁和P₂求解可得偏振方位角φ'计算公式：

${\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}=\frac{1}{2}arctan\left(\frac{l_1-l_2}{n_2{l}_1-n_1{l}_2}\right)$

其中，P₁、P₂、l₁、l₂、n₁、n₂均为中间变量，P₁是像素灰度均值S₂与S₁的比值，P₂是像素灰度均值S₃与S₁的比值，l₁、l₂、n₁、n₂满足下式：

$l_1=\frac{K_{12}-P_1{K}_{11}}{P_1{K}_{11}{K}_{21}+K_{12}{K}_{22}\left(\frac{1}{2}cos\right(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_2)+\frac{\sqrt{3}}{2}sin(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_2\left)\right)}$

$l_2=\frac{K_{13}-P_2{K}_{11}}{P_2{K}_{11}{K}_{21}+K_{13}{K}_{23}\left(\frac{1}{2}cos\right(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_3)-\frac{\sqrt{3}}{2}sin(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_3\left)\right)}$

$n_1=\frac{K_{12}{K}_{22}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}cos\right(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_2)-\frac{1}{2}sin(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_2\left)\right)}{P_1{K}_{11}{K}_{21}+K_{12}{K}_{22}\left(\frac{1}{2}cos\right(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_2)+\frac{\sqrt{3}}{2}\sin (2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_2\left)\right)}$

$n_2=\frac{K_{13}{K}_{23}(-\frac{\sqrt{3}}{2}cos(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_3)-\frac{1}{2}sin(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_3\left)\right)}{P_2{K}_{11}{K}_{21}+K_{13}{K}_{23}\left(\frac{1}{2}cos\right(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_3)-\frac{\sqrt{3}}{2}sin(2{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_3\left)\right)}.$

3.根据权利要求1所述的基于CMOS的太阳方位角计算方法，其特征在于：所述步骤(3)具体实现如下：

选择CMOS的偏振传感器的第一个通道的预设检偏方向为参考方向，偏振传感器水平安装在载体上，镜头垂直对准天顶点t，以偏振传感器o点为原点建立模块坐标系M，模块坐标系x轴与y轴所在平面为传感器安装平面，x轴与参考方向相同，z轴方向服从右手定则指向天顶点t，将模块坐标系原点平移至原始偏振图像Img₁中心，设原始偏振图像Img₁在x轴上方的像素灰度值和为I₁，x轴下方的像素灰度值和为I₂；如果I₁>I₂，说明太阳在图像中位于象限1和2中，如果I₁<I₂，说明太阳在图像中位于象限3或4中；

通过判断x轴上方像素灰度值和和x轴下方像素灰度值和的大小关系，求取模块坐标系下太阳方位角φ：

$\mathrm{\&phi;}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},I_1>I_2\\ {\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},I_1<I_2\end{array}\right.$

其中，φ表示模块坐标系下太阳方位角，φ∈(-π,π]。