本发明公开了一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法，包括：针对波动、散射等光学耦合效应引起的偏振光场动态非线性扰动，借助小波阈值降噪算法对水下原始偏振测量信号进行预处理，以抑制水下原始偏振测量信号中时变非稳态干扰；考虑波动散射动态偏振光学时变干扰噪声，建立含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型；最后，模拟螳螂虾等生物偏振视神经元差分对立信号处理机制，建立基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方程，实现水下混杂光学非线性干扰环境有效偏振光场信号的捕获和估计。本发明突破了基于水下光强拮抗差分的偏振光场抗干扰感知技术，能够有效提高海洋动态光学环境仿生偏振感知的适应性、可靠性和鲁棒性。
1.一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）针对海洋环境水面波动/散射等混杂光学耦合效应引起的动态光学非稳态干扰，假设小波阈值降噪函数为 ，利用其处理水下原始偏振测量信号 ，得到降噪后的水下偏振光强信号 ；
步骤（2）基于步骤（1）降噪后的水下偏振光强信号 ，结合偏振光学模型和偏振光学传播规律，考虑波动散射干扰噪声系数 和非线性随机干扰散射角 ，建立含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型；
步骤（3）在步骤（2）的水下偏振量测模型基础上，考虑传感器对立检测通道共有测量误差，建立基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方程 ，其中 为拮抗差分输出光强， 为传感器检测通道光强量测， 为传感器偏振检测通道光强增益系数， 为通道编号， 为水下偏振度，进而解析水下偏振角 和水下偏振光强 ；
步骤（4）结合步骤（3）解析的水下偏振角 和水下偏振光强 ，基于步骤（2）的水下偏振量测模型，建立初始光强 和水下偏振度 解析方程，解算全状态水下偏振信息，实现复杂动态光学环境水下偏振光场全信息抗干扰差分解算。
2.根据权利要求1所述的一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法，其特征在于：所述步骤（1）中，实际海洋环境水下原始偏振测量信号表示为：，
其中， 为真实有效偏振光强， 为波动/散射等混杂光学耦合作用引起的时变非线性干扰噪声， 为高斯随机噪声；
借助于小波变换的多分辨率分析方法，对不同频率成分进行分离，提取有效偏振光强；
3.根据权利要求2所述的一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法，其特征在于：所述步骤（2）中，部分线偏振光通过传感器检测通道的量测模型：，
其中， 为传感器检测通道输出光强， 为传感器入射光初始光强， 为偏振度，为偏振角；
假设波动散射干扰噪声系数为 ，非线性随机干扰散射角为 ，则水下波动/散射混杂光学耦合效应干扰光强为：，
考虑偏振检偏器内部固有增益，建立含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型：，
其中， 为传感器检测通道光路耦合系数， 为传感器检测通道检偏方位角， 为高斯随机噪声。
4.根据权利要求3所述的一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法，其特征在于：所述步骤（3）中，结合步骤（2）中含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型，学习、理解和模拟螳螂虾拮抗对立结构和拮抗信号处理机制，建立六通道仿生偏振传感器对立检测通道量测方程：，
其中， 为通道编号，一一对应，且 ；则基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方程为：
其中， 为拮抗差分输出光强， 表示高斯随机噪声；利用奇异值分解基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方程，得到水下偏振角 和水下偏振光强 。
5.根据权利要求4所述的一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法，其特征在于：所述步骤（4）中，结合步骤（3）解算的水下偏振角 和偏振光强 ，基于步骤（2）中含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型，建立初始光强 的解析方程：，
其中， 表示传感器第 个检测通道解算的初始光强， 表示传感器第 个检测通道光强量测， 表示传感器第 个偏振检测通道光强增益系数， 表示传感器第 个偏振检测通道耦合系数， 表示传感器第 个检测通道检偏方位角； ，基于最小方差准则建立偏振初始光强约束方程：，
寻找上述方程最优解，使得约束方程取得最小值 ，进而得到初始光强 和水下偏振度 。
一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法
技术领域
[0001] 本发明属于水下偏振信息感知与自主导航领域，具体涉及一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法。
背景技术
[0002] 复杂海洋环境下，螳螂虾等水生生物借助独特的视觉系统能够完成“感知‑传递‑处理‑融合”全回路跨尺度光学信号的表征、传递和解译，并将偏振光信号视为一种特殊的定向线索。且基于偏振光场的仿生自主导航技术具有自主性强、可靠性高等优点，已成为水下自主导航领域的研究热点。而复杂的海洋光学效应给水下偏振光信号感知带来了极大的挑战，波动/散射等混杂光学耦合干扰环境下仿生偏振传感器的干扰抑制能力还需进一步提高，偏振光场信号的有效估计有待进一步挖掘。
[0003] 现有仿生偏振光场捕获和估计算法，已发表的论文“仿生POL神经元的偏振光导航传感器研究”模拟生物偏振感知神经元提出了一种理想条件对立的偏振算法，采用S型函数对量测信号进行对数处理实现了偏振信号解算。中国专利申请CN201610076257.4 “基于改进仿沙蚁POL神经元的偏振光导航传感器及工作方法”，设计了一种基于改进仿沙蚁POL神经元四通道偏振传感器，提出了基于对立通道信号差除的信号处理方法，实现了大气环境偏振度和偏振角信息的解算。中国专利申请CN201911252040.4“一种基于水下光强干扰模型的水下偏振自主定向方法”，建立了基于水下多干扰条件的偏振输出量测方程，并运用拮抗思想解算水下偏振信息，提升了低信噪比水下环境偏振信号提取能力。中国专利申请CN202111408066.0 “一种考虑暗电流的水下偏振传感器多参数优化标定方法”，建立了基于暗电流参数的水下偏振传感器模型，通过多参数优化方法对偏振传感器进行优化标定，提高了水下弱光环境偏振信息可靠性和环境适应性。
[0004] 然而，上述方法并未考虑海洋环境波动散射等时变非线性干扰的影响，并不适用于海洋环境波动/散射等混杂光学耦合效应下的偏振信息感知。
发明内容
[0005] 为克服海洋环境水面波动/散射等混杂光学效应带来的动态耦合干扰问题，提高偏振传感器耦合干扰抑制与有效偏振信号感知能力，突破混杂动态光学环境水下偏振光场感知技术，本发明提供一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法。针对以水面波动和水下水粒子散射效应为主引起的水下偏振光场非线性干扰，借助非稳定信号处理手段，提取有效水下偏振光学信号；而后设计仿生差分对立干扰抑制算法估计偏振光矢量，实现水下混杂动态光学干扰环境偏振光场的精确感知和抗干扰自适应估计。本发明能够有效提高水下混杂动态光学扰动环境仿生偏振光场感知的适应性、可靠性及鲁棒性。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤（1）针对海洋环境水面波动/散射等混杂光学耦合效应引起的动态光学非稳态干扰，假设小波阈值降噪函数为 ，利用其处理水下原始偏振测量信号 ，得到降噪后的水下偏振光强信号 ；
[0009] 步骤（2）基于步骤（1）降噪后的水下偏振光强信号 ，结合偏振光学模型和偏振光学传播规律，考虑波动散射干扰噪声系数 和非线性随机干扰散射角 ，建立含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型；
[0010] 步骤（3）在步骤（2）的水下偏振量测模型基础上，考虑传感器对立检测通道共有测量误差，建立基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方程，其中 为拮抗差分输出光强， 为传感器检
测通道光强量测， 为传感器偏振检测通道光强增益系数， 为通
道编号， 为水下偏振度，进而解析水下偏振角 和水下偏振光强 ；
[0011] 步骤（4）结合步骤（3）解析的水下偏振角 和水下偏振光强 ，基于步骤（2）的水下偏振量测模型，建立初始光强 和水下偏振度 解析方程，解算全状态水下偏振信息，实现复杂动态光学环境水下偏振光场全信息抗干扰差分解算。
[0012] 进一步地，所述步骤（1）中，实际海洋环境水下原始偏振测量信号表示为：
[0013] ，
[0014] 其中， 为真实有效偏振光强， 为波动/散射等混杂光学耦合作用引起的时变非线性干扰噪声， 为高斯随机噪声。
[0015] 借助于小波变换的多分辨率分析方法，对不同频率成分进行分离，提取有效偏振光强；假设 表示小波降噪函数，则小波降噪过程表示为：
[0016] ，
[0017] 其中， 表示降噪后的水下偏振光强信号。
[0018] 进一步地，所述步骤（2）中，部分线偏振光通过传感器检测通道的量测模型：
[0019] ，
[0020] 其中， 为传感器检测通道输出光强， 为传感器入射光初始光强， 为偏振度， 为偏振角。
[0021] 假设波动散射干扰噪声系数为 ，非线性随机干扰散射角为 ，则水下波动/散射混杂光学耦合效应干扰光强为：
[0022] ，
[0023] 考虑偏振检偏器内部固有增益，建立含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型：
[0024] ，
[0025] 其中， 为传感器检测通道光路耦合系数， 为传感器检测通道检偏方位角，为高斯随机噪声。
[0026] 进一步地，所述步骤（3）中，结合步骤（2）中含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型，学习、理解和模拟螳螂虾拮抗对立结构和拮抗信号处理机制，建立六通道仿生偏振传感器对立检测通道量测方程：
[0027] ，
[0028] 其中， 为通道编号，一一对应，且 ；则基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方程为：
[0029] ，
[0030] 其中， 为拮抗差分输出光强， 表示高斯随机噪声。利用奇异值分解解算上述线性方程，得到水下偏振角 和水下偏振光强 。
[0031] 进一步地，所述步骤（4）中，结合步骤（3）解算的水下偏振角 和偏振光强，基于步骤（2）中含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型，建立初始光强的解析方程：
[0032] ，
[0033] 其中， 表示传感器第 个检测通道解算的初始光强，表示传感器第 个检测通道光强量测， 表示第 个偏振检测
通道光强增益系数， 表示传感器第 个偏振检测通道耦合系数，
表示传感器第 个检测通道检偏方位角。基于最小方差准则建立偏振初始光强约束方程：
[0034] ，
[0035] 寻找上述方程最优解，使得约束方程取得最小值 ，进而得到初始光强 和水下偏振度 。
[0036] 本发明考虑了海洋环境水气交界处波动散射引起的水下偏振光场时变非线性干扰，将偏振信号预处理算法与拮抗差分思想结合，完成了水下混杂光学耦合效应下的偏振光场信息感知，实现了混杂动态光学非稳态扰动环境有效偏振信号的解译。与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0037] （1）针对气液交界处波动等光学耦合效应引起的时变非线性干扰，提出借助小波阈值降噪算法预处理偏振量测，实现低频有效偏振信号与高频干扰信号的分离，有效抑制时变非线性、非稳态干扰噪声。
[0038] （2）考虑海洋环境波动/散射等混杂光学效应引起的动态光学干扰，提出含有非线性时变干扰噪声的偏振量测方程，建立了基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方程，突破了混杂动态光学环境偏振信号精确感知和抗干扰估计技术。
附图说明
[0039] 图1为本发明一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法的流程图。
具体实施方式
[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0041] 如图1所示，本发明一种基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方法的具体实现步骤如下：
[0042] 步骤（1）针对海洋环境水面波动/散射等混杂光学耦合效应引起的动态光学非稳态干扰，假设小波阈值降噪函数为 ，利用其处理水下原始偏振测量信号 ，得到降噪后的水下偏振光强信号 ；
[0043] 步骤（2）基于步骤（1）降噪后的水下偏振光强信号 ，结合偏振光学模型和偏振光学传播规律，考虑波动散射干扰噪声系数 和非线性随机干扰散射角 ，建立含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型；
[0044] 步骤（3）在步骤（2）的水下偏振量测模型基础上，考虑传感器对立检测通道共有测量误差，建立基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方程 ，其中 为拮抗差分输出光强， 为传感器检测通道光强量测， 为传感器偏振检测通道光强增益系数， 为通道编号， 为水下偏振度，进而解析水下
偏振角 和水下偏振光强 ；
[0045] 步骤（4）结合步骤（3）解析的水下偏振角 和水下偏振光强 ，基于步骤（2）的水下偏振量测模型，建立初始光强 和水下偏振度 解析方程，解算全状态水下偏振信息，实现复杂动态光学环境水下偏振光场全信息抗干扰差分解算。
[0046] 所述步骤（1）具体实现如下：
[0047] 海洋环境下由于波动/散射混杂光学耦合干扰作用，水下原始偏振测量信号中含有随时间变化的非线性干扰噪声。因此，实际海洋环境水下原始偏振测量信号可表示为：
[0048] ，
[0049] 其中， 为真实有效偏振光强， 为波动/散射等混杂光学耦合作用引起的时变非线性干扰噪声， 为高斯随机噪声。
[0050] 借助于小波变换的多分辨率分析方法，对不同频率成分进行分离，提取有效偏振光强；假设 表示小波降噪函数，则小波降噪过程表示为：
[0051] ，
[0052] 其中， 表示降噪后的水下偏振光强信号。
[0053] 所述步骤（2）具体实现如下：
[0054] 部分线偏振光通过传感器检测通道的量测模型：
[0055] ，
[0056] 其中， 为传感器检测通道输出光强， 为传感器入射光初始光强， 为偏振度， 为偏振角。
[0057] 假设波动散射干扰噪声系数为 ，非线性随机干扰散射角为 ，则水下波动/散射混杂光学耦合效应干扰光强为：
[0058] ，
[0059] 考虑偏振检偏器内部固有增益，建立含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型：
[0060] ，
[0061] 其中， 为传感器检测通道光路耦合系数， 为传感器检测通道检偏方位角，为高斯随机噪声。
[0062] 所述步骤（3）具体实现如下：
[0063] 结合步骤（2）中含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型，学习、理解和模拟螳螂虾拮抗对立结构和拮抗信号处理机制，建立六通道仿生偏振传感器对立检测通道量测方程：
[0064] ，
[0065] 其中， 为通道编号，一一对应，且 ；则基于水下光强拮抗差分的偏振抗干扰解算方程为：
[0066] ，
[0067] 其中， 为拮抗差分输出光强， 表示高斯随机噪声。利用奇异值分解解算上述线性方程，得到水下偏振角 和水下偏振光强 。
[0068] 所述步骤（4）具体实现如下：
[0069] 结合步骤（3）解算的水下偏振角 和偏振光强 ，基于步骤（2）中含有混杂非线性干扰噪声的水下偏振量测模型，建立初始光强 的解析方程：
[0070] ，
[0071] 其中， 表示传感器第 个检测通道解算的初始光强，表示传感器第 个检测通道光强量测， 表示第 个偏振检测
通道光强增益系数， 表示传感器第 个偏振检测通道耦合系数，
表示传感器第 个检测通道检偏方位角。基于最小方差准则建立偏振初始光强约束方程：
[0072] ，
[0073] 寻找上述方程最优解，使得约束方程取得最小值 ，进而得到初始光强 和水下偏振度 。至此，实现了复杂动态光学环境基于水下光强拮抗差分的水下偏振光场信息抗干扰解算。本发明突破了基于光强拮抗差分的水下偏振光场仿生抗干扰感知技术，能够有效提高海洋动态光学环境仿生偏振感知的适应性、可靠性和鲁棒性。
[0074] 尽管以上对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
