基于光场编码成像的全天偏振模式实时鲁棒测量方法

Because of the immaturity of sky light polarization measurement technology, navigation based on sky light polarization pattern hasn’t been widely used. This project strives to take research on a sky light polarization pattern measurement method in a large field of view, which not only has advantages such as high accuracy, simpleness and high real time performance, but also shows strong robustness, even if under poor weather conditions such as cloud cover， strong sunlight glare and strong atmosphere turbulence..1.Research on the robust method for encoded recording the information of sky light polarization based on image: .Analyze the critical factor influencing the robustness of the existing sky light polarization measurement method; Develop an aperture-coded light field imaging system;Figure out problems in sky light polarization pattern detection device for large field of view such as its real-time ability, reliability and miniaturization. .2.Research on the theory and algorithm for reliably obtaining sky light polarization pattern information from encoded image in real time:.Make an in-depth research on the image characteristic of the recorded sky light polarization information and try to describe some parameters mathematically which are not easily influenced by weather conditions to achieve the robust abstraction of the sky light polarization information in real time ..3.Make a research on the algorithm for overcoming bad weather conditions in polarization measurement:.With the high dynamic range imaging technology and error averaging, achieve a high accurate algorithm for obtaining polarization information, which can break the limits of cloud coverage, strong sunlight and atmosphere turbulence.

天空偏振光导航方法一直未广泛应用，主要是由于现有天空偏振模式测量技术未成熟。本项目立足于研究出针对大视场天空的偏振模式测量方法，不但具备实时、高精度、结构简单的优点，而且在云层遮挡、恶劣光照、强湍流等不利气象条件下，可实现偏振模式准确稳健测量。.1 天空偏振信息的图形化鲁棒编码记录方法研究：分析影响现有偏振模式测量方法鲁棒性的关键原因和机理，并研制出基于孔径编码原理的光场成像光学系统，解决大视场天空偏振模式探测的实时化、鲁棒化和系统小型化问题。.2 从编码图像中实时稳健解算偏振信息的理论和算法研究：深入研究记录有天空偏振信息的图像特征，对其中不易受气象条件影响的特征量实施数学化抽象描述，从而实现天空偏振信息的实时鲁棒解算。.3 克服不良天气干扰的偏振测量算法研究：利用高动态成像、误差平均化抑制等手段，实现具备抵抗云层遮挡、极端光照环境干扰以及大气湍流等不良天气影响的高精度偏振信息提取算法。

项目背景：.天空偏振光导航方法一直未广泛应用，主要是由于现有天空偏振模式测量技术未成熟，体现在：大视场天空实时偏振成像设备实现难度大，偏振模式获取算法效率和精度有限，以及不良天气条件对测量精度存在不利影响。..主要研究内容：.1 天空偏振信息的图形化鲁棒编码记录方法研究；.2 从编码图像中实时稳健解算偏振信息的理论和算法研究；.3 克服不良天气干扰的偏振测量算法研究。..重要结果与关键数据：.1 实现了基于孔径编码的光场成像光学系统，并用于天空偏振光导航。. 系统的成像视场>180°（全天域覆盖），数据帧率>10Hz（原始分辨率达43M以上），外观和普通工业相机无差别，解决了大视场天空偏振模式探测的实时化和系统小型化问题。.2 实现了从偏振编码图像中实时解算偏振信息的算法。. 除使用Radon变换法以外，还使用了互相关、模板匹配以及深度学习算法，目前可以将解算帧率提升到准实时状态（接近24Hz）。.3 研究了多种不良天气条件对偏振光导航精度的影响.1）.云层遮挡影响。结论是：高空薄云几乎没有影响，但是云层越低越厚，对最终的偏振光导航精度影响越大。.2）.强光过曝光影响。结论：日光对偏振光导航有显著影响，孔径编码方法可以抑制一部分，另外还需要结合双曝光才能获得很好的高动态效果。.3）.夜间低照度影响。结论：夜间条件下极易受到城市光污染，偏振光导航精度很低。.4）.大气湍流影响。实验表明：室内强湍流下才会有影响，实际气象条件下，湍流影响可忽略。.4 其他研究成果.1）.实现了基于微偏振阵列膜结构的实时偏振成像系统。.2）.利用天空偏振成像系统，实现了云量检测。.3）.利用天空偏振成像系统，实现了天空背景下的无人机目标识别。..科学意义：本项目研究的大视场天空偏振测量方法和系统，具备实时、高精度、结构简单有点，而且可应用在多种不利气象条件下。此外，系统同时可用于天空云量检测、无人机目标识别等领域。