一种双圆子模板水下地形匹配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双圆子模板水下地形匹配方法，属于水下导航技术领域。
【背景技术】
[0002] 地形相关匹配算法最早在航空方面得到应用，在战机和巡航导弹成进行了成功试 验，如英国宇航局公司研制的地形辅助导航系统，简称为地形剖面匹配系统（TERCOM);美 国桑迪亚实验室研制的桑迪亚地形辅助导航方法（SITAN)，国内也研究开发了一下地形辅 助导航系统，在装备武器上成功试验。
[0003] 国内外地形匹配技术的成熟应用主要集中在航空、地面，21世纪以来，海洋资源在 各国的战略地位越来越重要，水下精确定位导航成为各国研究的重点，常见的有惯性导航、 声学导航、舰位推算导航等。水下地形匹配技术作为水下一种辅助导航技术在近十几年得 到了快速发展，特别是多波束测深设备的使用和高质量匹配算法的研究，水下地形匹配精 度大幅度提高。目前国外在水下地形匹配导航技术发展较快，如由FFI开发的HUGIN系列 的水下自主航行器；瑞典皇家工学院研制的AUV62F和Sapphires。
[0004] 水下地形匹配算法是国内外学者的研究重点，有基于单波束测深的ICCP算法；基 于等深线的匹配算法；基于概率准则的匹配算法；基于卡尔曼滤波的方法；基于互相关的 匹配方法。但是上述算法要么是基于一维序列的匹配，信息量较少，要么在存在抗旋转、平 移等问题，而且大多采用方形单模板进行匹配，存在匹配时间过长等问题。双圆子模板匹配 方法克服以往单模板信息量少、匹配时间过长问题，而且圆形模板可以克服旋转等问题影 响，为水下地形匹配提供了一种新的匹配方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提出一种双圆子模板水下地形 匹配方法。
[0006] 本发明的技术解决方案为：本发明提出的一种双圆子模板水下地形匹配方法，通 过下列步骤实现：
[0007] (1)由多波束测深系统获得的条带，通过数据处理形成二维高程阵列，并转化为灰 度值，形成待匹配模板，调取原始数据库地形高程图转化为灰度图，形成搜索母图；
[0008] (2)选取一个较大的模板，再从中选取两个小的子模板，作内切圆，确定双圆之间 的位置关系，形成双圆子模板模型，然后在母图上进行双圆子图搜索匹配；
[0009] (3)提取图像角点特征量，将母图搜索到的双圆子图与子模板进行匹配，获取水下 潜器的位置。
[0010] 本发明还包括以下特征：
[0011] 1.步骤（1)具体为：将多波束测深插值获得的二维高程阵列和原始数据库的高程 阵列进行灰度化，转化为灰度图像，转化方式如下： LlN 丄Ut)丄bUbbt) Λ 「/J Ij }J\
[0012]
[0013] 其中，h_(i，j)表示对应二维阵列点的水深值，rouncK*)表示就近取整，p_(i，j) 表示该点对应的灰度值
[0014] 2.步骤⑵具体为：
[0015] (1)在实时建立的模板上选取具有相对位置关系、地形具有差异的两个子模板；
[0016] (2)作子模板的内切圆，圆心位置由所插值形成的网格确定；
[0017] (3)通过确定两个圆心的距离以及结合航向确定双圆的位置关系，记为 L(p, θ)0
[0018] 3.步骤⑶中采用SIFT角点特征算子提取特征量，具体如下：
[0019] 一幅图像尺度空间函数定义为：
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中，G(x，y，〇 )为尺度可变高斯函数；〇为尺度空间因子；L(x，y，〇 )为尺度空 间。
[0024] 首先，建立高斯差分尺度空间，并选取尺度空间极值点作为特征点；将图像与不同 尺度下的高斯函数卷积得到高斯金字塔，相邻尺度空间相减得到高斯差分尺度空间，定义 为：
[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] 将高斯尺度差分空间的像素点和本层和上下两层进行比较，如果是最大值或者最 小值，则记录下来，作为候选特征点；
[0027] 为保证特征点具有旋转不变性，根据特征点在所作的圆形邻域内各像素点的梯度 大小和方向的统计情况，为特征点指定特征方向，公式如下：
[0028]
[0029]
[0030] m(x, y)和Θ (X，y)为（X，y)处模值和梯度方向；
[0031] 将得到的特征点生成SIFT特征向量，对传统SIFT算法进行降维处理，以内切圆为 统计邻域，生成SIFT特征向量，为减小光照影响并进行归一化处理，形成最终匹配特征向 量；然后采用欧式距离进行特征向量的度量，来确定匹配位置。
[0032] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0033] (1)本发明利用多波束测深获得二维阵列，和以往一维序列相比，获得地形信息量 更大，提高了匹配了精度，增加了匹配区域的适应性，并把二维高程阵列转化为灰度图像， 利用图像匹配相关匹配算法来进行水下地形匹配，拓宽了水下地形匹配的方法。
[0034] (2)本发明采用双圆子模板代替以往的单模板进行匹配，缩短了匹配时间，同时由 于选取的子模板地形有一点差异，保证了匹配的精度，减小误匹配区域。
[0035] (3)本发明采用通过提取角点特征进行匹配，同时由于采用内切圆，简化了采用 SIFT角点特征算法的复杂度，缩短了匹配时间，解决了抗旋转问题，提高了匹配精度。
【附图说明】
[0036] 图1为仿真地形三维图；
[0037] 图2为高程阵列转化后的灰度图
[0038] 图3为双圆子模板灰度图
[0039] 图4为双圆子模板匹配示意图
【具体实施方式】
[0040] 本发明提出的一种双圆子模板水下地形匹配方法，采用以下具体方式实现：（1) 由多波束测深系统获得的条带，通过数据处理形成二维高程阵列，并转化为灰度值，形成待 匹配模板，调取原始数据库地形高程图转化为灰度图，形成搜索母图；调取国家海洋科学数 据库的某一数据，通过处理形