技術(shù)特征：

1.一種大氣偏振模式檢測(cè)及航向解算系統(tǒng)，其特征在于，包括四通道偏振圖像采集裝置和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)兩部分，所述的四通道偏振圖像采集裝置包括四通道圖像采集模塊、圖像監(jiān)控模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，其中四通道圖像采集模塊均通過路由與設(shè)備驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接，設(shè)備驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊分別與圖像監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)連接；

所述的四通道圖像采集模塊包括四路并列安裝的攝像機(jī)、攝像機(jī)安裝架、鏡頭，其中鏡頭前設(shè)置有藍(lán)色濾光片和偏振單元，且偏振單元設(shè)置于鏡頭與藍(lán)色濾光片之間；攝像機(jī)安裝架上設(shè)置安裝孔用于固定攝像機(jī)和排線；

所述設(shè)備驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于驅(qū)動(dòng)四通道圖像采集模塊拍攝大氣偏振圖像，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)保存起來；

所述圖像監(jiān)控模塊包括視頻顯示器和視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器，所述的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器將從設(shè)備驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊讀取的VGA信號(hào)轉(zhuǎn)換為AV信號(hào)，所述視頻顯示器用于監(jiān)控?cái)z像機(jī)拍攝到的圖像，且接收上述AV信號(hào)；

所述數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)包括偏振信息檢測(cè)模塊、航向角解算模塊，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)向所述設(shè)備驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊發(fā)送指令，完成大氣偏振圖像的采集與存儲(chǔ)工作；所述的偏振信息檢測(cè)模塊采用Stokes矢量法從拍攝的大氣偏振圖像中提取每一點(diǎn)的偏振度和偏振方位角；所述的航向角解算模塊通過提取的偏振信息解算載體航向角。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣偏振模式檢測(cè)及航向解算系統(tǒng)，其特征在于，所述的四通道攝像機(jī)型號(hào)為HIKVISION 200萬1/3”CMOS ICR日夜型槍型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，最高分辨率達(dá)1920×1080@30fps，可輸出實(shí)時(shí)圖像；所述的鏡頭采用可見光波段的光學(xué)鏡頭。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣偏振模式檢測(cè)及航向解算系統(tǒng)，其特征在于，所述四通道圖像采集模塊中的偏振單元為一塊自帶安裝結(jié)構(gòu)的偏振片，能夠固定在攝像機(jī)鏡頭的前端，且該偏振片配備有刻度輪盤，輪盤上的刻度與偏振片的度數(shù)經(jīng)過測(cè)量一一對(duì)應(yīng)，旋轉(zhuǎn)刻度輪盤帶動(dòng)偏振片一起旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變偏振片相對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)的偏振度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣偏振模式檢測(cè)及航向解算系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中的偏振信息檢測(cè)模塊、航向角解算模塊，為采用C++編寫的MFC界面，整個(gè)界面包括偏振模式檢測(cè)功能區(qū)和航向信息解算區(qū)；

所述的偏振模式檢測(cè)功能區(qū)上共有4個(gè)按鈕，分別為：讀取圖像、灰度化、偏振特性、圖像存儲(chǔ)；所述的讀取圖像按鈕將四通道偏振圖像采集裝置獲取的四張大氣偏振圖像讀取并顯示在界面上；所述的灰度化按鈕對(duì)四張大氣偏振圖像進(jìn)行灰度化處理，并將灰度圖顯示在界面上；所述的偏振特性按鈕提取拍攝區(qū)域的大氣偏振信息，并將生成的偏振度圖像和偏振化方向圖像依次顯示在界面上；

所述的航向信息解算區(qū)上有1個(gè)姿態(tài)解算按鈕，通過點(diǎn)擊該按鈕，可對(duì)載體的航向角進(jìn)行解算，并將結(jié)果顯示在界面上。

5.一種大氣偏振模式檢測(cè)及航向解算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)向設(shè)備驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊發(fā)送指令，完成大氣偏振圖像的采集與存儲(chǔ)工作；

步驟2，偏振信息檢測(cè)模塊采用Stokes矢量法從拍攝的大氣偏振圖像中提取每一點(diǎn)的偏振度和偏振方位角，具體為：

(2.1)讀取四通道偏振圖像采集裝置獲取的四張大氣偏振圖像；

(2.2)對(duì)大氣偏振圖像進(jìn)行灰度化處理，計(jì)算灰度值，即獲取拍攝區(qū)域內(nèi)的亮度信息；

(2.3)計(jì)算拍攝區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的Stokes各參量；

(2.4)提取拍攝區(qū)域的偏振信息；

步驟3，航向角解算模塊通過提取的偏振信息解算載體航向角。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大氣偏振模式檢測(cè)及航向解算方法，其特征在于，步驟2所述的Stokes矢量法是一種偏振測(cè)量方法，用于表征光的偏振態(tài)，Stokes矢量通常表示為S＝(I,Q,U,V)^T，其中，I表示總光強(qiáng)，Q和U分別表示兩個(gè)方向的線偏振分量，V為圓偏振分量；偏振度d和偏振方位角由Stokes矢量表示為：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大氣偏振模式檢測(cè)及航向解算方法，其特征在于，步驟(2.1)所述的四張大氣偏振圖像分別對(duì)應(yīng)四種不同偏振度，即旋轉(zhuǎn)四通道攝像機(jī)鏡頭前的偏振單元，使四個(gè)偏振片分別置于0°、45°、90°和135°，四幅圖片對(duì)應(yīng)的亮度信息用灰度值I(0°)、I(45°)、I(90°)和I(135°)表示，則所述的Stokes參量如下表示：

其中，I表示總光強(qiáng)，Q和U分別表示兩個(gè)方向的線偏振分量。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大氣偏振模式檢測(cè)及航向解算方法，其特征在于，步驟3所述航向角解算模塊通過提取的偏振信息解算載體航向角，具體步驟為：

(3.1)確定太陽位置；

所述的太陽位置包括太陽方位角A_s和太陽高度角h_s，太陽位置的計(jì)算方法如下式：

sin h_s＝sinδsinφ+cosδcosφcos t (3)

$\cos A_s=\frac{sin\mathrm{\δ}-\sin h_{s}sin\mathrm{\φ}}{\cos h_s\cos \mathrm{\φ}}---\left(4\right)$

其中，δ為太陽赤緯角，φ為觀測(cè)緯度，t為太陽時(shí)角，δ計(jì)算方法如下所示：

$\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=0.3723+23.2567\sin \mathrm{\σ}+0.1149\sin 2\mathrm{\σ}-0.1712\sin 3\mathrm{\σ}\\ -0.785\cos \mathrm{\σ}+0.3656\cos 2\mathrm{\σ}+0.0201\cos 3\mathrm{\σ}\end{array}---\left(5\right)$

σ＝2π(D-D₀)/365.2422 (6)

D₀＝79.6764+0.2422×(Y-1985)-INT[(Y-1985)/4] (7)

其中，σ為日角，D為積日，Y為年份，t計(jì)算方法如下所示：

S_d＝S_o+{F_o-[120°-(J_D+J_F/60)]×4}/60 (8)

E_t＝0.0028-1.9857sinσ+9.9059sin2σ-7.0924cosσ-0.6882cos2σ (9)

S_t＝S_d+E_t/60 (10)

t＝(S_t-12)×15° (11)

其中，S_d為地方時(shí)，S_o、F_o分別為觀測(cè)點(diǎn)的北京時(shí)和分，J_D、J_F為觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)度和經(jīng)分，E_t為時(shí)差，S_t為真太陽時(shí)；

(3.2)計(jì)算載體體軸與太陽子午線的夾角ψ_SM，具體如下：

1)沿太陽子午線的E-矢量方向水平，即偏振方位角χ＝90°；將偏振檢測(cè)模塊提取的偏振方位角χ_j中滿足條件χ_c＜|χ_j|＜90°的點(diǎn)提取出來，χ_c為設(shè)定閾值，構(gòu)成新的點(diǎn)集χ′_j＝(h′_j,A′_j)，其中h′_j為高度角，A′_j為方位角；

2)對(duì)提取點(diǎn)的高度角h′_i和方位角A′_i進(jìn)行聚類求取類中心，對(duì)所求結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，確定類中心在二維平面上的投影與參考坐標(biāo)的轉(zhuǎn)角，即為所檢測(cè)的太陽子午線位置；

(3.3)求取載體航向角ψ，公式如下：

ψ＝ψ_SM-A_s (12)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的大氣偏振模式檢測(cè)及航向解算方法，其特征在于，步驟(3.2)所述提取點(diǎn)的高度角h′_i和方位角A′_i進(jìn)行聚類求取類中心，其中聚類方法采用模糊C-均值聚類，將提取出的任一點(diǎn)作為初始點(diǎn)，通過交替優(yōu)化的方法確定結(jié)果，隸屬度和聚類中心的迭代公式如下：

隸屬度u_ij：

$u_{ij}=\frac{1}{\underset{k=1}{\overset{c}{\Σ}}{\left(\frac{d_{ij}^2}{d_{kj}^2}\right)}^{\frac{1}{m-1}}}$

聚類中心v_i：

$v_i=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{u}_{ij}^m{x}_j}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{u}_{ij}^m}$

其中，u_ij表示第j個(gè)對(duì)象與第i類的隸屬度，m表示模糊加權(quán)參數(shù)，v_i為聚類中心，x_j為樣本點(diǎn)，其中，樣本點(diǎn)x_j與聚類中心v_i的距離表示為d_ij＝||x_j-v_i||，d_kj則表示樣本點(diǎn)x_k與x_j間的距離。