基于多波束测深系统的海底地形匹配导航技术研究

摘要

高精度导航是水下潜器研究领域最主要的技术挑战之一。随着多波束测深系统在海底地形测量中的广泛应用，研究基于多波束测深的海底地形匹配辅助导航技术变得很有意义。相比于以单波束测深原理为基础的ICCP、TERCOM等一维序列匹配辅助导航方法，基于多波束测深系统的二维高程阵列匹配算法增加了原始地形信息的丰富度，可以用来提高地形辅助匹配导航系统的精度和适用性。本文在建立二维高程信息匹配导航模型前提下，分别针对二维阵列的高程空间和特征空间进行了匹配导航的研究。通过深入的理论探讨和充分的仿真分析，验证了所提方法能够满足高精度水下地形匹配辅助导航系统的苛刻要求。论文的主要研究内容包括:
　　(1)在深入了解多波束测深系统原理基础上，结合一般地形匹配导航系统框图给出了基于多波束测深的海底地形匹配导航框图。利用规则格网地形模型描述多波束测深结果，抓住这种地形高程分布是一种二维密度分布的本质，运用类比思想，把高程阵列匹配问题变换到灰度像素的匹配问题，建立了基于灰度图像匹配的导航模型，并分析了影响此地形匹配导航模型性能的主要误差来源。
　　(2)对于地形高程空间或者说图像灰度空间的直接匹配方法，综合考虑时间和精度等指标，采用快速匹配领域的序贯相似性检测算法(SSDA)进行匹配，并进一步结合小波分析的相关理论，给出基于小波分解的分层搜索加速匹配方法。仿真验证了上述方法应用于海底地形匹配导航中的可行性，并且在匹配时间和精度方面均能满足要求。
　　(3)为了解决SSDA方法对于航向过于敏感的问题，把地形高程空间投影到矩函数空间，研究了基于Hu矩和Zernike矩的特征空间匹配导航方法。对于Hu矩和Zernike矩的一系列不变量进行了详细的理论推导和仿真验证。为了保证任意方向航行的水下潜器均能正确匹配，提出了圆窗口化的搜索策略。仿真表明利用矩函数进行地形特征匹配导航的方法具有较大抗噪声能力和较强适用性。
　　(4)通过连续匹配的实施，给出了动态航行状态下匹配位置的确定过程和误差校正方法。在规划的几条典型航迹上，分析比较了二维高程分布匹配方法和传统的TERCOM算法在精度、匹配时间和适用性等指标方面的性能，说明了基于多波束测深的地形二维分布匹配方法可以很好地应用于水下潜器的地形匹配辅助导航系统。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

符号目录

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景和意义

1．3 国内外研究和发展现状

1．3．1 多波束测深系统研究现状

1．3．2 海底地形数据库研究现状

1．3．3 地形匹配导航算法和相关系统研究现状

1．3．4 图像匹配相关算法的研究现状

1．4 论文研究思路和主要内容

第二章 基于多波束测深的海底地形匹配导航建模

2．1 引言

2．2 多波束测深系统原理

2．2．1 多波束测深原理

2．2．2 测深数据处理

2．2．3 规则格网(GRID)地形描述

2．3 地形匹配导航原理及模型

2．3．1 一般地形匹配导航系统原理

2．3．2 基于多波束测深的地形匹配导航模型

2．3．3 影响地形匹配导航性能的主要因素

2．4 本章小结

第三章 航向敏感的快速匹配算法研究

3．1 引言

3．2 模板匹配相关问题

3．2．1 搜索范围

3．2．2 搜索策略

3．2．3 相似性度量方法

3．3 SSDA算法在地形匹配中的应用

3．4 基于小波分解的加速SSDA算法

3．5 仿真分析

3．5．1 仿真参数设置

3．5．2 不同旋转角度下时间、精度分析

3．5．3 不同噪声条件下时间、精度分析

3．5．4 综合分析

3．6 本章小结

第四章 利用矩函数的地形匹配算法研究

4．1 引言

4．2 矩函数的一般定义

4．3 Hu矩

4．3．1 几何矩定义

4．3．2 几何矩性质

4．3．3 利用几何矩进行形状描述

4．3．4 Hu矩定义

4．4 Zernike矩

4．4．1 Zernike多项式

4．4．2 Zernike矩定义

4．4．3 Zernike矩与几何矩关系

4．4．4 Zernike矩快速计算

4．5 矩函数不变量

4．5．1 矩不变量基本理论

4．5．2 Hu矩旋转不变量推导

4．5．3 Zernike矩旋转不变量推导

4．6 利用矩函数的地形匹配算法

4．7 仿真分析

4．7．1 Hu矩和Zernike矩的旋转不变性仿真

4．7．2 不同旋转角度下的精度及时问等指标分析

4．7．3 不同噪声下的精度及时问等指标分析

4．7．4 综合分析

4．8 本章小结

第五章 水下地形匹配辅助导航系统综合分析

5．1 引言

5．2 导航可匹配区确定方法

5．2．1 局部地形高程熵

5．2．2 局部地形高程坡度

5．2．3 局部地形高程标准差

5．3 水下地形匹配导航系统误差分析

5．3．1 多波束测深误差

5．3．2 地形网格化插值误差

5．3．3 扫测点差异化误差

5．3．4 灰度化误差

5．4 连续匹配问题及位置误差校正

5．4．1 连续匹配过程

5．4．2 位置误差校正

5．5 一维TERCOM算法简介

5．6 仿真分析

5．6．1 二维高程匹配模型误差对匹配算法影响

5．6．2 连续匹配及误差校正分析

5．6．3 不同航迹下各方法性能比较

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文