一種雙圓子模板水下地形匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙圓子模板水下地形匹配方法，屬于水下導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 地形相關(guān)匹配算法最早在航空方面得到應(yīng)用，在戰(zhàn)機和巡航導(dǎo)彈成進行了成功試 驗，如英國宇航局公司研制的地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，簡稱為地形剖面匹配系統(tǒng)（TERCOM);美 國桑迪亞實驗室研制的桑迪亞地形輔助導(dǎo)航方法（SITAN)，國內(nèi)也研究開發(fā)了一下地形輔 助導(dǎo)航系統(tǒng)，在裝備武器上成功試驗。
[0003] 國內(nèi)外地形匹配技術(shù)的成熟應(yīng)用主要集中在航空、地面，21世紀(jì)以來，海洋資源在 各國的戰(zhàn)略地位越來越重要，水下精確定位導(dǎo)航成為各國研究的重點，常見的有慣性導(dǎo)航、 聲學(xué)導(dǎo)航、艦位推算導(dǎo)航等。水下地形匹配技術(shù)作為水下一種輔助導(dǎo)航技術(shù)在近十幾年得 到了快速發(fā)展，特別是多波束測深設(shè)備的使用和高質(zhì)量匹配算法的研究，水下地形匹配精 度大幅度提高。目前國外在水下地形匹配導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展較快，如由FFI開發(fā)的HUGIN系列 的水下自主航行器；瑞典皇家工學(xué)院研制的AUV62F和Sapphires。
[0004] 水下地形匹配算法是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點，有基于單波束測深的ICCP算法；基 于等深線的匹配算法；基于概率準(zhǔn)則的匹配算法；基于卡爾曼濾波的方法；基于互相關(guān)的 匹配方法。但是上述算法要么是基于一維序列的匹配，信息量較少，要么在存在抗旋轉(zhuǎn)、平 移等問題，而且大多采用方形單模板進行匹配，存在匹配時間過長等問題。雙圓子模板匹配 方法克服以往單模板信息量少、匹配時間過長問題，而且圓形模板可以克服旋轉(zhuǎn)等問題影 響，為水下地形匹配提供了一種新的匹配方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種雙圓子模板水下地形 匹配方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：本發(fā)明提出的一種雙圓子模板水下地形匹配方法，通 過下列步驟實現(xiàn)：
[0007] (1)由多波束測深系統(tǒng)獲得的條帶，通過數(shù)據(jù)處理形成二維高程陣列，并轉(zhuǎn)化為灰 度值，形成待匹配模板，調(diào)取原始數(shù)據(jù)庫地形高程圖轉(zhuǎn)化為灰度圖，形成搜索母圖；
[0008] (2)選取一個較大的模板，再從中選取兩個小的子模板，作內(nèi)切圓，確定雙圓之間 的位置關(guān)系，形成雙圓子模板模型，然后在母圖上進行雙圓子圖搜索匹配；
[0009] (3)提取圖像角點特征量，將母圖搜索到的雙圓子圖與子模板進行匹配，獲取水下 潛器的位置。
[0010] 本發(fā)明還包括以下特征：
[0011] 1.步驟（1)具體為：將多波束測深插值獲得的二維高程陣列和原始數(shù)據(jù)庫的高程 陣列進行灰度化，轉(zhuǎn)化為灰度圖像，轉(zhuǎn)化方式如下： LlN 丄Ut)丄bUbbt) Λ 「/J Ij }J\
[0012]
[0013] 其中，h_(i，j)表示對應(yīng)二維陣列點的水深值，rouncK*)表示就近取整，p_(i，j) 表示該點對應(yīng)的灰度值
[0014] 2.步驟⑵具體為：
[0015] (1)在實時建立的模板上選取具有相對位置關(guān)系、地形具有差異的兩個子模板；
[0016] (2)作子模板的內(nèi)切圓，圓心位置由所插值形成的網(wǎng)格確定；
[0017] (3)通過確定兩個圓心的距離以及結(jié)合航向確定雙圓的位置關(guān)系，記為 L(p, θ)0
[0018] 3.步驟⑶中采用SIFT角點特征算子提取特征量，具體如下：
[0019] 一幅圖像尺度空間函數(shù)定義為：
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中，G(x，y，〇 )為尺度可變高斯函數(shù)；〇為尺度空間因子；L(x，y，〇 )為尺度空 間。
[0024] 首先，建立高斯差分尺度空間，并選取尺度空間極值點作為特征點；將圖像與不同 尺度下的高斯函數(shù)卷積得到高斯金字塔，相鄰尺度空間相減得到高斯差分尺度空間，定義 為：
[0025] D (X，y，〇 ) = (G (X，y，k 〇 ) -G (X，y，〇 )) *1 (X，y) = L (X，y，k 〇 ) -L (X，y，〇 )
[0026] 將高斯尺度差分空間的像素點和本層和上下兩層進行比較，如果是最大值或者最 小值，則記錄下來，作為候選特征點；
[0027] 為保證特征點具有旋轉(zhuǎn)不變性，根據(jù)特征點在所作的圓形鄰域內(nèi)各像素點的梯度 大小和方向的統(tǒng)計情況，為特征點指定特征方向，公式如下：
[0028]
[0029]
[0030] m(x, y)和Θ (X，y)為（X，y)處模值和梯度方向；
[0031] 將得到的特征點生成SIFT特征向量，對傳統(tǒng)SIFT算法進行降維處理，以內(nèi)切圓為 統(tǒng)計鄰域，生成SIFT特征向量，為減小光照影響并進行歸一化處理，形成最終匹配特征向 量；然后采用歐式距離進行特征向量的度量，來確定匹配位置。
[0032] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0033] (1)本發(fā)明利用多波束測深獲得二維陣列，和以往一維序列相比，獲得地形信息量 更大，提高了匹配了精度，增加了匹配區(qū)域的適應(yīng)性，并把二維高程陣列轉(zhuǎn)化為灰度圖像， 利用圖像匹配相關(guān)匹配算法來進行水下地形匹配，拓寬了水下地形匹配的方法。
[0034] (2)本發(fā)明采用雙圓子模板代替以往的單模板進行匹配，縮短了匹配時間，同時由 于選取的子模板地形有一點差異，保證了匹配的精度，減小誤匹配區(qū)域。
[0035] (3)本發(fā)明采用通過提取角點特征進行匹配，同時由于采用內(nèi)切圓，簡化了采用 SIFT角點特征算法的復(fù)雜度，縮短了匹配時間，解決了抗旋轉(zhuǎn)問題，提高了匹配精度。
【附圖說明】
[0036] 圖1為仿真地形三維圖；
[0037] 圖2為高程陣列轉(zhuǎn)化后的灰度圖
[0038] 圖3為雙圓子模板灰度圖
[0039] 圖4為雙圓子模板匹配示意圖
【具體實施方式】
[0040] 本發(fā)明提出的一種雙圓子模板水下地形匹配方法，采用以下具體方式實現(xiàn)：（1) 由多波束測深系統(tǒng)獲得的條帶，通過數(shù)據(jù)處理形成二維高程陣列，并轉(zhuǎn)化為灰度值，形成待 匹配模板，調(diào)取原始數(shù)據(jù)庫地形高程圖轉(zhuǎn)化為灰度圖，形成搜索母圖；調(diào)取國家海洋科學(xué)數(shù) 據(jù)庫的某一數(shù)據(jù)，通過處理形