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原文传递基于声呐图像处理的水下地形地貌匹配定位方法研究

论文题名：	基于声呐图像处理的水下地形地貌匹配定位方法研究
关键词：	自主水下潜器;声呐图像处理;地形地貌;匹配定位;旋转角估计
摘要：	地形地貌匹配定位是一种通过地形高程匹配或地貌景象匹配来获取运动平台位置信息的定位手段，其对于航行器的导航任务具有重要意义。然而，由于受到水下载体运动状态多变、水底地形起伏特征不显著及水下地貌景象测量稳定性低等情况的影响，水下地形地貌匹配定位在适用范围及方法的丰富程度方面与陆上应用相比仍存在较大差距，从而限制了水下导航系统精度的进一步提高。本文以自主水下潜器连续长航时导航中累积误差修正对水下无源定位技术的需求为背景，采用多波束测深声呐和侧扫声呐作为水下地形和地貌数据测量手段，研究了利用声呐图像处理技术提取水下地形和地貌特征的方法，实现了在水下小起伏地形区域内的匹配定位、水下地形适配区的选择以及局部区域内的水下地貌匹配定位与旋转角估计，扩展了地形地貌匹配定位在水下的应用范围，为水下导航系统的累积误差修正提供了新的手段。　　论文的主要工作和取得的成果包括：　　1.以水下潜器导航系统为应用框架，论述并分析了水下地形地貌匹配定位的原理、方法和影响因素。从功能上分析了具备地形地貌匹配功能的水下导航系统组成，将其概括为基础导航系统、地形地貌测量单元、地形匹配单元和地貌匹配单元四个部分，并进一步总结了水下导航任务中地形地貌匹配的工作原理。比较分析了地形地貌匹配技术在水下和陆地应用中的异同，由此探讨了多波束测深系统和侧扫声呐在实现水下地形地貌匹配中的优势，建立了基于二者的水下地形地貌匹配辅助导航的基本技术框架，并对可能影响定位性能的因素进行了分析。　　2.研究了基于声呐图像的水下小起伏地形匹配定位方法。以相关性原理为基础，利用多波束测深数据作为构建水下地形图像的数据来源，对于地形起伏较小和深度变化频率较快水下区域，分别有针对性地提出了基于图像特征的地形匹配方法。提出采用图像的纹理特征来弥补地形深度变化不足的缺陷，建立了组合特征向量作为匹配定位的依据。提出了基于边缘角点的地形匹配方法，对由于深度变化频率快导致的边缘长度相似的水下地形图像实现了有效区分。利用湖试多波束测深数据进行了匹配定位实验，结果表明，所述方法对于数据测量误差（噪声）、航向误差（图像旋转）及匹配模板大小（实时图尺寸）具有良好的适应性，可以满足无源水下定位的需要。　　3.研究了基于图像特征的水下地形适配性分析方法。针对传统地形特征参数对地形适配性反映不全面的问题，提出了一种基于图像特征和模糊决策的水下地形适配性模糊判决法。该方法将水下地形的独特性与多个图像特征相联系，进而通过模糊判决理论对其进行综合评判，实现了水下适配区的有效选择。针对地形变化快速、复杂的水下区域，提出了一种渐进式的水下适配区选择方法，在确定地形匹配的最佳分辨率尺度的基础上，依次从地形深度统计特征、地形图像信息量、图像自相似度的角度逐步对水下地形区域进行筛选，实现了水下适配区的有效选择。两种方法分别侧重考虑了匹配算法适用地形的特点，增强了所选适配区的针对性。利用湖试多波束测深数据和上述两种地形匹配方法对适配区选择结果进行了验证性实验，结果表明，在所选适配区内匹配算法的定位精度明显提高，其有效性得到了充分验证。　　4.研究了基于侧扫声呐图像的水下地貌匹配定位和航向估计方法。通过对准侧扫声呐实时数据与参考数据的分辨率，降低了由于采集时侧扫声呐参数不同、载体运动状态不同等因素带来的影响；针对实时图与参考图之间存在相对旋转而导致图像特征不稳定的问题，采用不变矩特征和圆形模板相结合的方法，实现了图像间的稳定匹配；采用Log-Polar变换解决了实时图与参考图之间旋转角度的估计问题。采用湖试侧扫声呐地貌图像进行了匹配实验，结果表明，在地貌特征丰富或特征贫乏但具有显著标志物的局部水底，该方法能够实现实时图的准确定位并修正其与参考图间的相对旋转，为侧扫声呐在水下地貌匹配中的应用提供了新的思路。　　5.将多波束测深声呐与侧扫声呐相结合，联合上述方法构建了一种水下综合导航实施方案。利用多波束测深数据和侧扫声呐图像进行了验证性研究，论证了该方案的可行性和实用性，为地形地貌匹配定位技术的水下综合应用提供了思路。　　本文深入研究了水下地形地貌匹配定位原理、方法和实施手段，并利用实测声呐数据对相关技术进行了实验验证。结果表明：本文提出的各项方法具有较高的稳定性，对于不同水下地形、地貌具备良好的定位能力，能够用于连续长航时水下航行任务中的导航系统累积误差修正，具有较高的应用价值。
作者：	宋子奇
专业：	信息与通信工程
导师：	卞红雨
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文