本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理與快速導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速的多子圖關(guān)聯(lián)航向角估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

水下地形匹配導(dǎo)航是屬于地球物理屬性導(dǎo)航的一種，是由潛航器采集實(shí)時(shí)圖，利用海底地形地貌的分布特征而進(jìn)行的相關(guān)匹配運(yùn)算。其采用的傳統(tǒng)方法一般是遍歷式搜索方法，應(yīng)用TERCOM算法進(jìn)行匹配，在已知地形中尋找與實(shí)測地形最為相近的子區(qū)域作為定位結(jié)果。但匹配定位正確率不高，不利于航向角的有效估計(jì)。

原始模板全局遍歷，最簡單的直接使用模板進(jìn)行匹配，首先計(jì)算實(shí)時(shí)圖與基準(zhǔn)子圖之間的歐氏距離，并將基準(zhǔn)子圖在360°內(nèi)按一定步長做旋轉(zhuǎn)，計(jì)算每個(gè)角度的歐氏距離，并以此步驟遍歷整個(gè)基準(zhǔn)圖，尋找歐氏距離最小的匹配項(xiàng)。通過此方法能夠十分準(zhǔn)確的匹配到準(zhǔn)確位置，并能達(dá)到估計(jì)航向角的目的，但算法本身伴隨的是巨大的計(jì)算量，不利于實(shí)現(xiàn)。

多子圖位置關(guān)聯(lián)法，是本發(fā)明提出的一種具有更好實(shí)時(shí)性的一種方法，通過多子圖位置坐標(biāo)點(diǎn)幾何法確定水下潛器航向角。對(duì)三張匹配子圖分別與基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配定位，獲取三個(gè)位置坐標(biāo)；之后，根據(jù)匹配圖在基準(zhǔn)圖的位置關(guān)系，判斷位置坐標(biāo)可用性，選擇滿足條件的坐標(biāo)來求取坐標(biāo)連線斜率，并與基準(zhǔn)圖正方向比較，可以得出水下潛器航向角。

本發(fā)明主要提出的是一種快速的多子圖位置關(guān)聯(lián)航向角估計(jì)方法。通過與文獻(xiàn)[1]所述方法進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了此方法可以更快速的實(shí)現(xiàn)水下航向角估計(jì)。

與本發(fā)明相關(guān)的參考文獻(xiàn)包括：地形輔助導(dǎo)航方法和設(shè)備，勇楊，王可東，中國專利CNl01339036A。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種快速的多子圖關(guān)聯(lián)航向角估計(jì)方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(1)在多波束測深聲納實(shí)時(shí)圖像中，從其探測矩形區(qū)域內(nèi)等間距的截取三個(gè)圓形匹配子圖；

(2)對(duì)三張匹配子圖分別與海底基準(zhǔn)圖，使用地形參數(shù)特征對(duì)子圖進(jìn)行匹配定位，獲取三個(gè)位置坐標(biāo)；

(3)根據(jù)匹配圖在基準(zhǔn)圖的位置關(guān)系，判斷位置坐標(biāo)可用性；

(4)如果可用，則連接三個(gè)圓形基準(zhǔn)圖的圓心，并計(jì)算連線斜率，估計(jì)航向角；

(5)如果不可用，則換取其他位置獲取實(shí)時(shí)圖，并從(1)處開始重新執(zhí)行算法；

(6)通過計(jì)算運(yùn)行時(shí)間，并對(duì)比其他算法時(shí)效性。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出了一種快速的基于地形匹配的航向角估計(jì)方法，通過取三子圖分別匹配，其共同出錯(cuò)概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)中的單一子圖匹配。而且利用多子圖定位后的坐標(biāo)幾何關(guān)系來估計(jì)航向角的辦法，從原理上增加了系統(tǒng)的容錯(cuò)機(jī)制，只有在多個(gè)子圖同時(shí)滿足位置關(guān)系時(shí)，才會(huì)通過幾何算法估計(jì)，相比其他航向角估計(jì)方法，都是只局限于一幅實(shí)時(shí)圖匹配。從時(shí)間上，對(duì)于原始模板遍歷匹配，其計(jì)算量巨大，對(duì)實(shí)時(shí)性有著很大的影響；傳統(tǒng)的TERCOM算法雖然能體現(xiàn)出較好的實(shí)時(shí)性，然而準(zhǔn)確率缺大大降低；相比之下，本發(fā)明雖然使用到了多個(gè)子圖的匹配，其運(yùn)算時(shí)間大于單一子圖，然而針對(duì)本發(fā)明后續(xù)的幾何估計(jì)，卻能在時(shí)間上大大優(yōu)于原始模板遍歷匹配法。

附圖說明

圖1多子圖關(guān)聯(lián)的航向角估計(jì)方法示意圖；

圖2海底真實(shí)數(shù)據(jù)偽彩高程圖；

圖3三個(gè)匹配子圖中全部坐標(biāo)都匹配成功時(shí)情況；

圖4三個(gè)匹配子圖中有一個(gè)匹配坐標(biāo)錯(cuò)誤情況。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

表1航向角仿真結(jié)果。

(1)截取多波束測深聲納探測矩形內(nèi)三個(gè)匹配子圖。

多波束測深聲納的實(shí)時(shí)探測范圍隨著攜帶聲納設(shè)備的船只或者航行器的速度決定的，不過一定時(shí)間內(nèi)，其時(shí)實(shí)探測范圍均為矩形(這里不考慮轉(zhuǎn)彎情況，因?yàn)檗D(zhuǎn)彎處聲納本身合成圖像就帶有較高的錯(cuò)誤率，通常情況下只考慮直線情況)。在矩形內(nèi)以圓心等間距截取三個(gè)內(nèi)切圓，選擇圓形的重要原因是，其圓形截取模板具有旋轉(zhuǎn)不變性。具體情況如圖1所示，如果探測的矩形區(qū)域過小，可以允許三個(gè)內(nèi)切圓重疊。

(2)使用地形參數(shù)特征來分別定位匹配子圖

針對(duì)不同的地形信息，使用參數(shù)信息是最方便，最快捷的辦法。目前使用了四個(gè)地形參數(shù)信息進(jìn)行判斷，本發(fā)明分別使用了地形高程均值、地形高程標(biāo)準(zhǔn)差、地形粗糙度與地形熵。其中地形高程均值E：

式中，M表示截取圓形模板S區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)總數(shù)，I(i,j)為圓形模板內(nèi)第i行，第j列位 置上的高程。

地形高程標(biāo)準(zhǔn)差σ：

式中，M表示截取圓形模板S區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)總數(shù)，I(i,j)為圓形模板內(nèi)第i行，第j列位置上的高程，E為地形高程均值。

粗糙度R：

式中，M表示截取圓形模板S區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)總數(shù)，I(i,j)為圓形模板內(nèi)第i行，第j列位置上的高程，R_x與R_y分別表示地形橫向與縱向粗糙度。

地形熵H_f：

C(i,j)＝I(i,j)-E

式中，M表示截取圓形模板S區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)總數(shù)，I(i,j)為圓形模板內(nèi)第i行，第j列位置上的高程，C(i,j)為圓形模板內(nèi)第i行，第j列位置上的高程偏差，E為地形高程均值。

設(shè)定合理閾值，利用以上四個(gè)地形參數(shù)特征快速定位出匹配子圖位置。

(3)判斷位置坐標(biāo)可用性

判斷準(zhǔn)則是：當(dāng)且僅當(dāng)三個(gè)匹配子圖圓心的匹配坐標(biāo)連線在小于允許的坐標(biāo)偏差以內(nèi)，即其中每兩個(gè)匹配子圖連線的延長線與第三個(gè)匹配子圖圓心的最小距離是否小于允許偏差，這里設(shè)定小于圓形匹配模板半徑的5％。

(4)當(dāng)滿足允許偏差條件時(shí)，通過幾何推導(dǎo)來估計(jì)航向角。

通過圖1所示，如果滿足步驟(3)中的允許偏差條件，那么三個(gè)匹配子圖定位圓心的連 線就在一條直線上，那么通過計(jì)算其與基準(zhǔn)方向之間的夾角并求平均可得到估計(jì)的航向角Θ，具體公式為：

式中，a1與a2分別表示第一匹配子圖的定位坐標(biāo)，b1與b2分別表示第二匹配子圖的定位坐標(biāo)，c1與c2分別表示第三匹配子圖的定位坐標(biāo)。

這里使用了三個(gè)匹配子圖，如果使用兩個(gè)匹配子圖，其誤差肯定會(huì)大大增加，而且也很難判斷匹配子圖位置是否正確。同理，針對(duì)四個(gè)，五個(gè)或者更多匹配子圖，其原理與三個(gè)匹配子圖相似，當(dāng)匹配子圖數(shù)量增加時(shí)，準(zhǔn)確率會(huì)提高，但是同時(shí)運(yùn)算量同時(shí)加大，且有可能因?yàn)樵肼曉斐呻y以匹配的現(xiàn)象，故本發(fā)明使用三個(gè)匹配子圖進(jìn)行航向角估計(jì)。

(5)如果不滿足允許偏差條件，則重新獲取實(shí)時(shí)圖，返回步驟(1)。

(6)通過算法運(yùn)行時(shí)間的對(duì)比評(píng)估本發(fā)明

本發(fā)明在MATLAB(R2012a)平臺(tái)下對(duì)之前論述的水下地形匹配方法進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真所用計(jì)算機(jī)主要配置如下：

操作系統(tǒng)：Microsoft Windows XP Professional(5.1，版本2600)；

主板：Intel G31；

CPU:Intel Pentium Dual-Core E5300@2.60GHz；

RAM:2038MB。

在航向角估計(jì)誤差為2°的條件下，利用圖2的數(shù)據(jù)，進(jìn)行50組仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出了一種快速的基于地形匹配的航向角估計(jì)，利用多子圖定位后的坐標(biāo)幾何關(guān)系來估計(jì)航向角的辦法，從原理上增加了系統(tǒng)的容錯(cuò)機(jī)制，只有在多個(gè)子圖同時(shí)滿足位置關(guān)系時(shí)，才會(huì)通過幾何算法估計(jì)航向角。而其他航向角估計(jì)方法，都是只局限于一幅實(shí)時(shí)圖匹配，沒有對(duì)匹配結(jié)果的判斷機(jī)制。傳統(tǒng)算法中會(huì)多次根據(jù)實(shí)時(shí)圖與基準(zhǔn)圖之間的匹配結(jié)果來直接對(duì)航向角進(jìn)行估計(jì)，其航向角估計(jì)方法與匹配算法之間沒有聯(lián)系，本發(fā)明使用多子圖匹配的同時(shí)，使用多子圖位置關(guān)系來估計(jì)航向角，使得航向角估計(jì)方法能夠制約并降低匹配算法的錯(cuò)誤率。

從時(shí)間上，現(xiàn)有技術(shù)都是集中在匹配子圖的平移與旋轉(zhuǎn)的遍歷計(jì)算上，其計(jì)算量巨大，對(duì)實(shí)時(shí)性有著很大的影響，本發(fā)明雖然使用到了多個(gè)子圖的匹配，其匹配運(yùn)算時(shí)間大于單一子圖，然而本發(fā)明不需要旋轉(zhuǎn)的遍歷，而且后續(xù)的航向角估計(jì)只需要幾何推算，相比原始模 板全局遍歷算法的運(yùn)算量，本發(fā)明能夠節(jié)約大量時(shí)間。從表1的對(duì)比可以看出，原始模板全局遍歷在匹配正確的前提下獲得了較高準(zhǔn)確率，但以犧牲運(yùn)算時(shí)間為代價(jià)，TERCOM算法較為傳統(tǒng)，正確率上達(dá)不到好的效果；本算法使用的是地形信息匹配與幾何推算，但由于使用了多個(gè)子圖匹配，從容錯(cuò)角度來說抵消了地形信息匹配算法所造成的誤差，且相比原始模板遍歷，在運(yùn)算時(shí)間上節(jié)約50％以上，盡可能地滿足了水下航向角估計(jì)的實(shí)時(shí)性要求。

表1航向角仿真結(jié)果