专利名称：一种合成孔径声纳图像数据拼接系统及方法
技术领域：
本发明涉及声纳信号处理领域，特别涉及一种合成孔径声纳图像数据拼接系统 及方法。
背景技术：
合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar: SAS)利用小尺寸基阵在方位向的移
动形成虚拟大孔径，通过对不同位置的声纳回波信号进行相干处理，从而获得高分 辨率的声纳图像。
拖曳式合成孔径声纳成像系统中，拖体与母船之间通过拖缆连接，为了保证拖 体稳定性，放缆长度较长；拖体和母船之间的柔性连接使得对拖体位置的估算精度 较差。拖体上可以通过安装高精度水下导航设备估计拖体航迹，但这种设备的价格 非常昂贵。 一般情况下，光学成像的分辨率远远高于声学成像的分辨率，普通的光 学图像拼接技术完全依靠图像特征进行拼接；相对而言，合成孔径声纳成像的分辨 率比光学成像的分辨率低，因此单纯依靠图像特征进行拼接很难得出稳定可靠的结 果。因此，需要寻找一种适合合成孔径声纳系统，充分利用合成孔径声纳系统信息 的方法。
发明内容
为了解决上述现有技术的问题，本发明的提出一种合成孔径声纳图像数据拼接 系统及方法。该系统及方法采用母船的GPS信息对合成孔径声纳图像进行地理信息 编码并对图像信息进行初步拼接，然后利用图像中的特征点和特征线进行精确校准 和图像拼接。
为了实现上述目的，本发明提供了一种合成孔径声纳图像数据拼接系统，包括
一系统参数设定�？椋糜诟菔导市枰瓒ㄏ低巢问鱿低巢问� 拖缆长度、测绘带宽、最小距离等。
一初步拼接�？椋糜诙源唇拥耐枷袷萁械乩硇畔⒈嗦耄谐醪狡唇樱� 即通过图像数据的地理编码信息对带拼接的图像数据进行初步校准。及
一精确拼接�？椋糜诶贸醪叫Ｗ己蟮耐枷袷葜械奶卣鞯愫吞卣飨撸源� 拼接的图像数据进行精确校准和拼接。其中，所述初步图像拼接�？榘� 一斜距校正�？�、 一航迹方向矢量计算模 块、 一地理坐标计算�？榧耙怀醪叫Ｗ寄？�。
所述斜距校正�？椋糜诮枷袷萦沙上褡晗底坏胶郊Ｗ晗担蛔还� 式如下-
,=VV +/2 ; 其中，r是斜距，/是水平距离，A是成像深度。 所述航迹方向矢量计算�？椋糜诟菽复暮郊Ｐ畔⒓扑阃咸宓暮郊Ｐ畔ⅲ�
合成孔径声纳航迹的直线方程为^ =似+ 6;其中，a和6通过下式求解
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，各航迹点的坐标为A:(;c,，;;,)， n为航迹点个数; 则航迹的方向矢量为
<formula>formula see original document page 8</formula>所述地理坐标计算模块，用于根据母船的航迹信息与拖体的航迹信息，计算图
像数据中各像素点的地理坐标；像素点C至航迹的垂直距离如下
其中， 为像素点C沿航迹垂直方向距测绘带边缘的像素数，d为像素大 �。� in为测绘带的最小距离。
像素点C对应的地理坐标由下式得到
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，A:Oc。,^)为像素点C成像时对应母船航迹点的地理坐标；/"^为母 船的放缆长度。
所述初步校准�？椋糜诟萃枷袷葜懈飨袼氐愕牡乩碜辏酝枷袷萁� 行地理编码，得到图像数据的地理信息，并利用该地理信息，对该图像数据进行初 步校准。
其中，所述精确拼接�？榘�-.
一旋转量消除�？椋糜谙龃唇拥耐枷袷葜涞男�。 首先，根据像素点^、 ^和^、 "H十算方向矢量巧和^;其中VVV2 =VV
、
然后，根据方向矢量^和^计算图像7'和^之间存在的旋转角e;其中
COS0 =巧 v2,
最后，根据旋转角P消除声纳图像数据A和^之间存在的旋转量。
一平移量消除�？椋糜谙龃唇拥耐枷袷葜涞钠揭屏浚桓菹笏�
ULX
点q、 A和q、 "z之间的对应关系计算待拼接的图像数据之间的平移量A^，其中
uutw v v
v v
2 ，
根据平移量A^消除待拼接的声纳图像数据A和^之间存在的平移量。本发明提供的一种合成孔径声纳图像数据拼接方法，包括以下步骤-
(1) 根据实际需要，通过系统参数设定�？椋瓒ㄏ低巢问凰鱿低巢问ㄍ侠鲁ざ�、测绘带宽、最小距离等。
(2) 初步拼接模块对待拼接的图像数据进行地理信息编码，进行初步拼接，即通过图像数据的地理编码信息对待拼接的图像数据进行初步校准。
(21)斜距校正�？榻枷袷莸某上褡晗底坏胶郊Ｗ晗担蛔还饺�
下
其中，r是斜距，/是水平距离，A是成像深度；(22)航迹方向矢量计算�？楦菽复暮郊Ｐ畔⒓扑阃咸宓暮郊Ｐ畔ⅲ缓铣煽拙渡珊郊５闹毕叻匠涛猒y = OX + 6;其中，fl和6通过下式求解
、1r》/
i...i
i人
其中，各航迹点的坐标为A:(x,，3;,)， w为航迹点个数；
则航迹的方向矢量为信息，计算图像数据中各像素点的地理坐标；像素点C至航迹的垂直距离如下
其中， 为像素点c沿航迹垂直方向距测绘带边缘的像素数，d为像素大
�。� in为测绘带的最小距离；
像素点C对应的地理坐标由下式得到
V V V V
其中，》。(x。,少。)为像素点C成像时对应母船航迹点的地理坐标；/"舰为母船的放缆长度；
(24)初步校准�？楦萃枷袷葜懈飨袼氐愕牡乩碜辏酝枷袷萁械乩肀嗦耄玫酵枷袷莸牡乩硇畔ⅲ⒗酶玫乩硇畔ⅲ愿猛枷袷萁谐醪叫Ｗ�。
(3)精确拼接模块利用初步校准后的图像数据中的特征点和特征线，对待拼接的图像数据进行精确校准和拼接。
(31)旋转量消除�？橄龃唇拥耐枷袷葜涞男浚�
(311)根据像素点^、 "i和^、 A计算方向矢量K和V2;其中
V V V V
^ — V - Pr，
VVv2 =VV
—A
(312) 根据方向矢量Vl和V2计算图像^和^之间存在的旋转角^;其中
cos 0 = Vj v2,
(313) 根据旋转角e消除声纳图像数据71和72之间存在的旋转量；(32)平移量消除模块消除所述待拼接的图像数据之间的平移量；
(321) 根据象素点q、 "i和q、 A之间的对应关系计算待拼接的图像数据之间的平移量A^，其中
uu uu
2 ,
(322) 根据平移量A^消除待拼接的声纳图像数据^和^之间存在的平移量。其中，所述待拼接的声纳图像数据是两幅或者多幅，所述两幅或者多幅合成孔径声纳图像数据处于相邻的地理位置；所述两幅或者多幅合成孔径声纳图像中的部分或者全部图像中存在共同的特征点或特征线。
所述特征点是指合成孔径声纳图像中具有一定特征(如强度等)的点目标，特征线是指由特征点组成的线段。
本发明的优点在于本发明提供的一种合成孔径声纳图像数据拼接系统及方法同时利用母船的GPS信息和声纳图像特征，在拖体不安装高精度导航设备的情况下实现合成孔径声纳图像拼接功能，提高了系统的适应性，降低了系统造价。
图1是本发明合成孔径声纳图像数据拼接系统结构流程图2是本发明初步拼接�？榻峁沽鞒掏�3是本发明精确拼接�？榻峁沽鞒掏�4是本发明实施例合成孔径声纳系统及成像测绘带；
图5是本发明实施例合成孔径声纳成像坐标系；
图6是本发明合成孔径声纳图像数据拼接方法流程图7是本发明实施例声纳图像之间的线性变换。
具体实施例方式
本实施例中，合成孔径声纳系统为拖曳式，即安装声纳基阵的水下平台(或拖体)与母船之间通过拖缆联接。
本实施例采用的合成孔径声纳图像数据拼接系统，其结构流程如图1所示，包括 一系统参数设定�？椋糜诟菔导市枰瓒ㄏ低巢问鱿低巢问ㄍ侠鲁ざ�、测绘带宽、最小距离等。 一初步拼接�？椋糜诙源唇拥耐枷袷萁械乩硇畔⒈嗦耄谐醪狡唇樱赐ü枷袷莸牡乩肀嗦胄畔⒍源唇拥耐枷袷萁谐醪叫Ｗ�。及一精确拼接�？椋糜诶贸醪叫Ｗ己蟮耐枷袷葜械奶卣鞯愫吞卣飨撸源唇拥耐枷袷萁芯沸Ｗ己推唇印�
所述初步图像拼接�？椋浣峁沽鞒倘缤�2所示，包括 一斜距校正�？椋糜诮枷袷莸某上褡晗底坏胶郊Ｗ晗担� 一航迹方向矢量计算�？椋糜诟菽复暮郊Ｐ畔⒓扑阃咸宓暮郊Ｐ畔ⅲ� 一地理坐标计算�？椋糜诟菽复暮郊Ｐ畔⒂胪咸宓暮郊Ｐ畔ⅲ扑阃枷袷葜懈飨袼氐愕牡乩碜辏患耙怀醪叫Ｗ寄？椋糜诟萃枷袷葜懈飨袼氐愕牡乩碜辏酝枷袷萁械乩肀嗦耄玫酵�
11像数据的地理信息，并利用该地理信息，对该图像数据进行初步校准。
所述精确拼接�？椋浣峁沽鞒倘缤�3所示，包括 一旋转量消除�？椋糜�
消除所述待拼接的图像数据之间的旋转量。 一平移量消除�？椋糜谙龃�
接的图像数据之间的平移量。
本实施例涉及的坐标系情况说明如下。
如图4所示，合成孔径声纳系统由母船A和拖体B组成，声纳基阵安装在拖体B 上，图4中给出了声纳系统沿航迹方向右侧扫描的实例，合成孔径声纳系统扫描测 绘带对应的最小距离为^m，扫描测绘带的带宽为^。
图5则给出了合成孔径声纳的成像坐标系，合成孔径声纳成像坐标系为二维斜 距坐标系，假设对深度为A的平面进行成像，则成像坐标系m^i与航迹坐标系"^之 间的关系如式(l)所示。
下面对声纳图像地理编码、声纳图像拼接步骤进行说明。(如图6)
(1) 输入系统参数，包括包括拖缆长度、测绘带宽、最小距离等。
(2) 声纳图像地理编码(初步拼接，即通过图像数据的地理编码信息对待拼接 的图像数据进行初步校准)，如图2所示。
(21) 斜距校正
如果不考虑高程的因素，地理坐标系^W和航迹坐标系"y'在同一平面上，因 此合成孔径声纳图像进行地理编码之前，需要进行成像坐标系到航迹坐标系的转换， 转换公式如(2)所示。
/ = V,-h2 (2)
拖体B在水下工作，无法接收GPS信息，但母船A上可以接收GPS信息，因此 母船A的航迹信息是己知的。理想工作状态下，母船A和拖体B同时做匀速直线运 动。在这个前提下，可以通过母船A的航迹信息推算拖体B的航迹信息。已知母船A 的航迹信息，推算声纳图像各像素地理坐标的方法如下(以目标点C为例)。
(22) 计算航迹方向矢量
假设各航迹点的坐标为《"'，^)，航迹点个数为"，合成孔径声纳航迹的直线 方程为
_y = ox + 6 (3) 航迹直线通过参数"和参数6来表征，通过求解方程组(4)可以求解"和6 。、11—》r
1
…1
31
(4)
采用方向矢量表示航迹便于操作，航迹的方向矢量为:
(23) 计算声纳图像各象素点地理坐标 假设象素点C距航迹距测绘带边缘的像素数为 ，像素大小为"，母船A的放
缆长度为，则根据式(1)可得目标点C至航迹^力的距离如式(6)所示。
"V《-^ ， "din+"c" (6)
假设象素点C成像时对应母船A航迹点地理坐标为A : "，A)，则象素点C对应 的地理坐标由式(7)计算得出。为了便于推导，下文中均采用向量运算，向量实部表 示坐标点横轴坐标，虚部表示坐标点纵轴坐标
v v v v / ." ,『
Pd-《fe+vx(-'K (7)
(24) 声纳图像初步校准 利用式(7)可以计算合成孔径声纳图像任意像素的地理坐标，即对声纳图像进行
地理编码。经过地理编码后的声纳图像已经具有了地理信息。利用地理信息，可以 对地理编码后的声纳图像进行初校准。经过初校准后，可以大致确定声纳图像所处 的地理区域，为声纳图像拼接做好准备。 (3)声纳图像拼接
采用式(7)计算声纳图像的地理信息精度受多种因素的影响。在式(7)推导过程 中，假设母船A和拖体B处在同一直线上。在实际应用中，由于拖体B与母船A之 间的连接为柔性连接，拖体B的位置受水流等多种因素的影响，因此拖体B与母船A 的航迹之间可能会存在一定的误差。要获取拖体B相对母船A航迹之间精确位置关 系，需要借助水下高精度的导航传感器(比如高精度惯导设备或者声学定位设备)， 这些传感器的价格非常昂贵，而且精度受多种因素的影响(如积分时间等)。为了解 决此问题，提出利用图像特征对声纳图像进行精确对准。如果不同航次获取的声纳 图像之间存在重叠，重叠的声纳图像特征可以用于声纳图像的精确对准。
从不同角度对目标的合成孔径声纳成像结果存在不同，这种不同可以看作是不 同角度声纳图像之间存在一个线性变换，这种线性变换包括图像的旋转和图像的平
13移。以两幅不同角度声纳图像为例，假设图像^是角度^获取的合成孔径声纳图像， 图像/2是角度"2获取的合成孔径声纳图像，理论上如果要获取71和/2之间的线性变 换，只需要确定^和^中对应的两个点即可。如图7所示，假设可以确定声纳图像71 和^之间存在对应的象素点C和象素点"，即图像^中的象素点^、 A与图像^中
的象素点q、 "2对应的成像目标是相同的，则精确对准图像^和^的步骤如下。如 图3所示。
(31)根据象素点q、 A和q、 "H十算方向矢量、和V2，其中
V V
vi 一^ v"
V V
y & — A
V2--^ V"""
(8)
(9)
根据方向矢量^和V2计算图像71和/2之间存在的旋转角0 ，其中
cos^ =《.《2 (10)
根据旋转角^可以消除声纳图像71和/2之间存在的旋转量，
(32)根据象素点G、 Di和q、 "2之间的对应关系计算两幅图像之间的平移 量，其中
v v v v
g = ^|^ (13)
根据平移量AP可以消除声纳图像Zl和^之间存在的平移量。
1权利要求
1、一种合成孔径声纳图像数据拼接系统，其特征在于，所述系统包括一系统参数设定�？椋糜诟菔导市枰瓒ㄏ低巢问灰怀醪狡唇幽？椋糜诙源唇拥耐枷袷萁械乩硇畔⒈嗦耄谐醪狡唇樱赐ü枷袷莸牡乩肀嗦胄畔⒍源唇拥耐枷袷萁谐醪叫Ｗ迹患耙痪菲唇幽？椋糜诶贸醪叫Ｗ己蟮耐枷袷葜械奶卣鞯愫吞卣飨撸源唇拥耐枷袷萁芯沸Ｗ己推唇�。
2、 根据权利要求l所述的图像数据拼接系统，其特征在于，所述初步拼接�？� 还包括一斜距校正�？椋糜诮枷袷萦沙上褡晗底坏胶郊Ｗ晗担蛔还� 如下一 =//z2 +/2 ; 其中，r是斜距，/是水平距离，/ 是成像深度。
3、 根据权利要求l所述的图像数据拼接系统，其特征在于，所述初步拼接�？� 还包括一航迹方向矢量计算�？椋糜谠诤郊Ｗ晗抵校菽复暮郊Ｐ畔⒓扑阃� 体的航迹信息；合成孔径声纳航迹的直线方程为^ =欲+ 6;其中，a和6通过下 式求解-<formula>formula see original document page 2</formula>其中，各航迹点的坐标为A:(;c,j,)， w为航迹点个数； 则航迹的方向矢量为VV =1
4、根据权利要求l所述的图像数据拼接系统，其特征在于，所述初步拼接�？榛拱ㄒ坏乩碜昙扑隳？椋糜诟菽复暮郊Ｐ畔⒂胪咸宓暮郊Ｐ畔ⅲ扑阃枷� 数据中各像素点的地理坐标；像素点C至航迹的垂直距离为t :一A ， rc=rmin +其中， 为像素点C沿航迹垂直方向距测绘带边缘的像素数，J为像素大 �。琟min为测绘带的最小距离；像素点C对应的地理坐标由下式得到其中，A:Oc。,y。)为像素点C成像时对应母船航迹点的地理坐标；/"^为母船的 放缆长度。
5、 根据权利要求l所述的图像数据拼接系统，其特征在于，所述初步拼接�？� 还包括一初步校准模块，用于根据图像数据中各像素点的地理坐标，对图像数据进行 地理编码，得到图像数据的地理信息，并利用该地理信息，对该图像数据进行初步 校准。
6、 根据权利要求l所述的图像数据拼接系统，其特征在于，所述精确拼接�？� 还包括-一旋转量消除�？椋糜谙龃唇拥耐枷袷葜涞男浚� 首先，根据像素点^、 "i和q、 "2计算方向矢量^和^;<formula>formula see original document page 3</formula>其中然后，根据方向矢量V1和V2计算图像7i和/2之间存在的旋转角e ;其中<formula>formula see original document page 3</formula>最后，根据旋转角^消除声纳图像数据7'和/2之间存在的旋转量。
7、根据权利要求l所述的图像数据拼接系统，其特征在于，所述精确拼接�？� 还包括一平移量消除�？椋糜谙龃唇拥耐枷袷葜涞钠揭屏浚桓菹笏氐鉸、 ^和q、 "2之间的对应关系计算待拼接的图像数据之间的平移量A^，其中<formula>formula see original document page 3</formula>根据平移量A^消除待拼接的声纳图像数据7l和/2之间存在的平移量。
8、 根据权利要求1所述的图像数据拼接系统，其特征在于，所述系统参数包括: 拖缆长度、测绘带宽、最小距离。
9、 根据权利要求l所述的图像数据拼接系统，其特征在于，所述待拼接的声纳 图像数据是两幅或者多幅，所述两幅或者多幅合成孔径声纳图像数据处于相邻的地 理位置；所述两幅或者多幅合成孔径声纳图像中的部分或者全部图像中存在共同的 特征点或特征线。
10、 一种合成孔径声纳图像数据拼接方法，包括以下步骤(1) 根据实际需要，通过系统参数设定�？椋瓒ㄏ低巢问�(2) 初步拼接�？槎源唇拥耐枷袷萁械乩硇畔⒈嗦耄谐醪狡唇樱� 通过图像数据的地理编码信息对待拼接的图像数据进行初步校准；(3) 精确拼接�？槔贸醪叫Ｗ己蟮耐枷袷葜械奶卣鞯愫吞卣飨撸源唇� 的图像数据进行精确校准和拼接。
11、 根据权利要求10所述的图像数据拼接方法，其特征在于，所述步骤(2) 进一步包括以下子步骤(21)斜距校正�？榻枷袷萦沙上褡晗底坏胶郊Ｗ晗担蛔还饺缦聄2 = aM2 +/2 ; 其中，r是斜距，/是水平距离，A是成像深度； (22)航迹方向矢量计算�？楦菽复暮郊Ｐ畔⒓扑阃咸宓暮郊Ｐ畔ⅲ缓铣� 孔径声纳航迹的直线方程为y = ^C + 6;其中，fl和6通过下式求解、r-(i…i&i人其中，各航迹点的坐标为A:0c,，x)，"为航迹点个数； 则航迹的方向矢量为厂 1vV =(23)地理坐标计算模块根据母船的航迹信息与拖体的航迹信息，计算图像数 据中各像素点的地理坐标；像素点C至航迹的垂直距离如下其中， 为像素点C沿航迹垂直方向距测绘带边缘的像素数，d为像素大 �。� in为测绘带的最小距离；像素点C对应的地理坐标由下式得到V V V VPc-A)一v匕他+vx(一K; 其中，A:Oc。j。)为像素点C成像时对应母船航迹点的地理坐标；/。*为母 船的放缆长度；(24)初步校准�？楦萃枷袷葜懈飨袼氐愕牡乩碜辏酝枷袷萁械� 理编码，得到图像数据的地理信息，并利用该地理信息，对该图像数据进行初步校 准。
12、根据权利要求10所述的图像数据拼接方法，其特征在于，所述步骤(3) 进一步包括以下子步骤(31)旋转量消除�？橄龃唇拥耐枷袷葜涞男浚� (311)根据像素点q、 "i和^、 A计算方向矢量、和V2;其中V V V VVVV2 =VVp。,，(312) 根据方向矢量Vi和V2计算图像^和72之间存在的旋转角^;其中COSP:、 'V2(313) 根据旋转角^消除声纳图像数据7i和72之间存在的旋转量； (32)平移量消除�？橄龃唇拥耐枷袷葜涞钠揭屏浚�(321) 根据象素点q、 "i和q、 "2之间的对应关系计算待拼接的图像数据之 间的平移量A^，其中lwuu v v uu uu2(322) 根据平移量A^消除待拼接的声纳图像数据^和^之间存在的平移量。
13、 根据权利要求10所述的图像数据拼接方法，其特征在于，所述系统参数包 括拖缆长度、测绘带宽、最小距离。
14、 根据权利要求10所述的图像数据拼接方法，其特征在于，所述待拼接的声纳图像数据是两幅或者多幅，所述两幅或者多幅合成孔径声纳图像数据处于相邻的 地理位置；所述两幅或者多幅合成孔径声纳图像中的部分或者全部图像中存在共同 的特征点或特征线。
全文摘要
本发明公开了一种合成孔径声纳图像数据拼接系统及方法。所述系统包括系统参数设定�？�、初步拼接�？榧熬菲唇幽？�。所述方法包括以下步骤(1)根据实际需要，设定系统参数；(2)对待拼接的图像数据进行地理信息编码，进行初步拼接，即通过图像数据的地理编码信息对待拼接的图像数据进行初步校准；(3)利用初步校准后的图像数据中的特征点和特征线，对待拼接的图像数据进行精确校准和拼接。本发明的优点在于本发明提供的一种合成孔径声纳图像数据拼接系统及方法同时利用母船的GPS信息和声纳图像特征，在拖体不安装高精度导航设备的情况下实现合成孔径声纳图像拼接功能，提高了系统的适应性，降低了系统造价。
文档编号G01S7/52GK101650426SQ20081022478
公开日2010年2月17日 申请日期2008年12月26日 优先权日2008年12月26日
发明者维 刘, 刘纪元, 张春华 申请人:中国科学院声学研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
