一种快速的多子图关联航向角估计方法技术

本发明专利技术属于数字图像处理与快速导航技术领域，具体涉及一种快速的多子图关联航向角估计方法。本发明专利技术包括：在多波束测深声纳实时图像中，从其探测矩形区域内等间距的截取三个圆形匹配子图；对三张匹配子图分别与海底基准图，使用地形参数特征对子图进行匹配定位，获取三个位置坐标；根据匹配图在基准图的位置关系，判断位置坐标可用性；如果可用，则连接三个圆形基准图的圆心，并计算连线斜率，估计航向角；通过计算运行时间，并对比其他算法时效性。本发明专利技术虽然使用到了多个子图的匹配，其运算时间大于单一子图，然而针对本发明专利技术后续的几何估计，却能在时间上大大优于原始模板遍历匹配法。

A fast method for estimating the heading angle of multiple subgraphs

The invention belongs to the technical field of digital image processing and rapid navigation, in particular to a fast multiple image association heading angle estimation method. The present invention includes: in multi beam bathymetry sonar real-time image, from the detection of rectangular spacing intercepted three circular matching map; the three matching graph respectively with the submarine base map, using the topographic parameters on the features map matching, obtaining three seats; according to the matching position in Fig. the relationship between the reference image, judge the position coordinates of availability; if available, is connected with three circular reference image center, and calculate the slope of the line, the heading angle is estimated by calculating the running time; and compared with other algorithms, timeliness. Although the invention uses the matching of a plurality of subgraphs, the operation time is larger than that of a single subgraph, but the subsequent geometric estimation of the invention can greatly outperform the original template traversal matching method in time.

【技术实现步骤摘要】
一种快速的多子图关联航向角估计方法
本专利技术属于数字图像处理与快速导航
，具体涉及一种快速的多子图关联航向角估计方法。
技术介绍
水下地形匹配导航是属于地球物理属性导航的一种，是由潜航器采集实时图，利用海底地形地貌的分布特征而进行的相关匹配运算。其采用的传统方法一般是遍历式搜索方法，应用TERCOM算法进行匹配，在已知地形中寻找与实测地形最为相近的子区域作为定位结果。但匹配定位正确率不高，不利于航向角的有效估计。原始模板全局遍历，最简单的直接使用模板进行匹配，首先计算实时图与基准子图之间的欧氏距离，并将基准子图在360°内按一定步长做旋转，计算每个角度的欧氏距离，并以此步骤遍历整个基准图，寻找欧氏距离最小的匹配项。通过此方法能够十分准确的匹配到准确位置，并能达到估计航向角的目的，但算法本身伴随的是巨大的计算量，不利于实现。多子图位置关联法，是本专利技术提出的一种具有更好实时性的一种方法，通过多子图位置坐标点几何法确定水下潜器航向角。对三张匹配子图分别与基准图进行匹配定位，获取三个位置坐标；之后，根据匹配图在基准图的位置关系，判断位置坐标可用性，选择满足条件的坐标来求取坐标连线斜率，并与基准图正方向比较，可以得出水下潜器航向角。本专利技术主要提出的是一种快速的多子图位置关联航向角估计方法。通过与文献[1]所述方法进行对比，证实了此方法可以更快速的实现水下航向角估计。与本专利技术相关的参考文献包括：地形辅助导航方法和设备，勇杨，王可东，中国专利CNl01339036A。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种快速的多子图关联航向角估计方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)在多波束测深声纳实时图像中，从其探测矩形区域内等间距的截取三个圆形匹配子图；(2)对三张匹配子图分别与海底基准图，使用地形参数特征对子图进行匹配定位，获取三个位置坐标；(3)根据匹配图在基准图的位置关系，判断位置坐标可用性；(4)如果可用，则连接三个圆形基准图的圆心，并计算连线斜率，估计航向角；(5)如果不可用，则换取其他位置获取实时图，并从(1)处开始重新执行算法；(6)通过计算运行时间，并对比其他算法时效性。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种快速的基于地形匹配的航向角估计方法，通过取三子图分别匹配，其共同出错概率远远小于现有技术中的单一子图匹配。而且利用多子图定位后的坐标几何关系来估计航向角的办法，从原理上增加了系统的容错机制，只有在多个子图同时满足位置关系时，才会通过几何算法估计，相比其他航向角估计方法，都是只局限于一幅实时图匹配。从时间上，对于原始模板遍历匹配，其计算量巨大，对实时性有着很大的影响；传统的TERCOM算法虽然能体现出较好的实时性，然而准确率缺大大降低；相比之下，本专利技术虽然使用到了多个子图的匹配，其运算时间大于单一子图，然而针对本专利技术后续的几何估计，却能在时间上大大优于原始模板遍历匹配法。附图说明图1多子图关联的航向角估计方法示意图；图2海底真实数据伪彩高程图；图3三个匹配子图中全部坐标都匹配成功时情况；图4三个匹配子图中有一个匹配坐标错误情况。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。表1航向角仿真结果。(1)截取多波束测深声纳探测矩形内三个匹配子图。多波束测深声纳的实时探测范围随着携带声纳设备的船只或者航行器的速度决定的，不过一定时间内，其时实探测范围均为矩形(这里不考虑转弯情况，因为转弯处声纳本身合成图像就带有较高的错误率，通常情况下只考虑直线情况)。在矩形内以圆心等间距截取三个内切圆，选择圆形的重要原因是，其圆形截取模板具有旋转不变性。具体情况如图1所示，如果探测的矩形区域过小，可以允许三个内切圆重叠。(2)使用地形参数特征来分别定位匹配子图针对不同的地形信息，使用参数信息是最方便，最快捷的办法。目前使用了四个地形参数信息进行判断，本专利技术分别使用了地形高程均值、地形高程标准差、地形粗糙度与地形熵。其中地形高程均值E：式中，M表示截取圆形模板S区域内像素点总数，I(i,j)为圆形模板内第i行，第j列位置上的高程。地形高程标准差σ：式中，M表示截取圆形模板S区域内像素点总数，I(i,j)为圆形模板内第i行，第j列位置上的高程，E为地形高程均值。粗糙度R：式中，M表示截取圆形模板S区域内像素点总数，I(i,j)为圆形模板内第i行，第j列位置上的高程，Rx与Ry分别表示地形横向与纵向粗糙度。地形熵Hf：C(i,j)＝I(i,j)-E式中，M表示截取圆形模板S区域内像素点总数，I(i,j)为圆形模板内第i行，第j列位置上的高程，C(i,j)为圆形模板内第i行，第j列位置上的高程偏差，E为地形高程均值。设定合理阈值，利用以上四个地形参数特征快速定位出匹配子图位置。(3)判断位置坐标可用性判断准则是：当且仅当三个匹配子图圆心的匹配坐标连线在小于允许的坐标偏差以内，即其中每两个匹配子图连线的延长线与第三个匹配子图圆心的最小距离是否小于允许偏差，这里设定小于圆形匹配模板半径的5％。(4)当满足允许偏差条件时，通过几何推导来估计航向角。通过图1所示，如果满足步骤(3)中的允许偏差条件，那么三个匹配子图定位圆心的连线就在一条直线上，那么通过计算其与基准方向之间的夹角并求平均可得到估计的航向角Θ，具体公式为：式中，a1与a2分别表示第一匹配子图的定位坐标，b1与b2分别表示第二匹配子图的定位坐标，c1与c2分别表示第三匹配子图的定位坐标。这里使用了三个匹配子图，如果使用两个匹配子图，其误差肯定会大大增加，而且也很难判断匹配子图位置是否正确。同理，针对四个，五个或者更多匹配子图，其原理与三个匹配子图相似，当匹配子图数量增加时，准确率会提高，但是同时运算量同时加大，且有可能因为噪声造成难以匹配的现象，故本专利技术使用三个匹配子图进行航向角估计。(5)如果不满足允许偏差条件，则重新获取实时图，返回步骤(1)。(6)通过算法运行时间的对比评估本专利技术本专利技术在MATLAB(R2012a)平台下对之前论述的水下地形匹配方法进行仿真试验。仿真所用计算机主要配置如下：操作系统：MicrosoftWindowsXPProfessional(5.1，版本2600)；主板：IntelG31；CPU:IntelPentiumDual-CoreE5300@2.60GHz；RAM:2038MB。在航向角估计误差为2°的条件下，利用图2的数据，进行50组仿真实验，结果如表1所示。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种快速的基于地形匹配的航向角估计，利用多子图定位后的坐标几何关系来估计航向角的办法，从原理上增加了系统的容错机制，只有在多个子图同时满足位置关系时，才会通过几何算法估计航向角。而其他航向角估计方法，都是只局限于一幅实时图匹配，没有对匹配结果的判断机制。传统算法中会多次根据实时图与基准图之间的匹配结果来直接对航向角进行估计，其航向角估计方法与匹配算法之间没有联系，本专利技术使用多子图匹配的同时，使用多子图位置关系来估计航向角，使得航向角估计方法能够制约并降低匹配算法的错误率。从时间上，现有技术都是集中在匹配子图的平移与旋转的遍历计算上，其计算量巨大，对实时性有着很大的影响，本专利技术虽然使用到了多个子图的匹配，其匹配运算时间大于单一子图，然而本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速的多子图关联航向角估计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在多波束测深声纳实时图像中，从其探测矩形区域内等间距的截取三个圆形匹配子图；(2)对三张匹配子图分别与海底基准图，使用地形参数特征对子图进行匹配定位，获取三个位置坐标；(3)根据匹配图在基准图的位置关系，判断位置坐标可用性；(4)如果可用，则连接三个圆形基准图的圆心，并计算连线斜率，估计航向角；(5)如果不可用，则获取下一帧实时图像，并从(1)处开始重新执行算法；(6)通过计算运行时间，并对比其他算法的时效性。

【技术特征摘要】
1.一种快速的多子图关联航向角估计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在多波束测深声纳实时图像中，从其探测矩形区域内等间距的截取三个圆形匹配子图；(2)对三张匹配子图分别与海底基准图，使用地形参数特征对子图进行匹配定位，获取三个位置坐标；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞红雨，刘东宇，陈奕名，吴远峰，杨嘉斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23