專利名稱：一種合成孔徑聲納圖像數據拼接系統及方法
技術領域：
本發明涉及聲納信號處理領域，特別涉及一種合成孔徑聲納圖像數據拼接系統 及方法。
背景技術：
合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar: SAS)利用小尺寸基陣在方位向的移
動形成虛擬大孔徑，通過對不同位置的聲納回波信號進行相干處理，從而獲得高分 辨率的聲納圖像。
拖曳式合成孔徑聲納成像系統中，拖體與母船之間通過拖纜連接，為了保證拖 體穩定性，放纜長度較長；拖體和母船之間的柔性連接使得對拖體位置的估算精度 較差。拖體上可以通過安裝高精度水下導航設備估計拖體航跡，但這種設備的價格 非常昂貴。 一般情況下，光學成像的分辨率遠遠高于聲學成像的分辨率，普通的光 學圖像拼接技術完全依靠圖像特征進行拼接；相對而言，合成孔徑聲納成像的分辨 率比光學成像的分辨率低，因此單純依靠圖像特征進行拼接很難得出穩定可靠的結 果。因此，需要尋找一種適合合成孔徑聲納系統，充分利用合成孔徑聲納系統信息 的方法。
發明內容
為了解決上述現有技術的問題，本發明的提出一種合成孔徑聲納圖像數據拼接 系統及方法。該系統及方法采用母船的GPS信息對合成孔徑聲納圖像進行地理信息 編碼并對圖像信息進行初步拼接，然后利用圖像中的特征點和特征線進行精確校準 和圖像拼接。
為了實現上述目的，本發明提供了一種合成孔徑聲納圖像數據拼接系統，包括
一系統參數設定模塊，用于根據實際需要，設定系統參數，所述系統參數包括 拖纜長度、測繪帶寬、最小距離等。
一初步拼接模塊，用于對待拼接的圖像數據進行地理信息編碼，進行初步拼接， 即通過圖像數據的地理編碼信息對帶拼接的圖像數據進行初步校準。及
一精確拼接模塊，用于利用初步校準后的圖像數據中的特征點和特征線，對待 拼接的圖像數據進行精確校準和拼接。其中，所述初步圖像拼接模塊包括 一斜距校正模塊、 一航跡方向矢量計算模 塊、 一地理坐標計算模塊及一初步校準模塊。
所述斜距校正模塊，用于將圖像數據由成像坐標系轉換到航跡坐標系；轉換公 式如下-
,=VV +/2 ; 其中，r是斜距，/是水平距離，A是成像深度。 所述航跡方向矢量計算模塊，用于根據母船的航跡信息計算拖體的航跡信息；
合成孔徑聲納航跡的直線方程為^ =似+ 6;其中，a和6通過下式求解
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，各航跡點的坐標為A:(;c,，;;,)， n為航跡點個數; 則航跡的方向矢量為
<formula>formula see original document page 8</formula>所述地理坐標計算模塊，用于根據母船的航跡信息與拖體的航跡信息，計算圖
像數據中各像素點的地理坐標；像素點C至航跡的垂直距離如下
其中， 為像素點C沿航跡垂直方向距測繪帶邊緣的像素數，d為像素大 小， in為測繪帶的最小距離。
像素點C對應的地理坐標由下式得到
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，A:Oc。,^)為像素點C成像時對應母船航跡點的地理坐標；/"^為母 船的放纜長度。
所述初步校準模塊，用于根據圖像數據中各像素點的地理坐標，對圖像數據進 行地理編碼，得到圖像數據的地理信息，并利用該地理信息，對該圖像數據進行初 步校準。
其中，所述精確拼接模塊包括-.
一旋轉量消除模塊，用于消除所述待拼接的圖像數據之間的旋轉量。 首先，根據像素點^、 ^和^、 "H十算方向矢量巧和^;其中VVV2 =VV
、
然后，根據方向矢量^和^計算圖像7'和^之間存在的旋轉角e;其中
COS0 =巧 v2,
最后，根據旋轉角P消除聲納圖像數據A和^之間存在的旋轉量。
一平移量消除模塊，用于消除所述待拼接的圖像數據之間的平移量；根據象素
ULX
點q、 A和q、 "z之間的對應關系計算待拼接的圖像數據之間的平移量A^，其中
uutw v v
v v
2 ，
根據平移量A^消除待拼接的聲納圖像數據A和^之間存在的平移量。本發明提供的一種合成孔徑聲納圖像數據拼接方法，包括以下步驟-
(1) 根據實際需要，通過系統參數設定模塊，設定系統參數；所述系統參數包括拖纜長度、測繪帶寬、最小距離等。
(2) 初步拼接模塊對待拼接的圖像數據進行地理信息編碼，進行初步拼接，即通過圖像數據的地理編碼信息對待拼接的圖像數據進行初步校準。
(21)斜距校正模塊將圖像數據的成像坐標系轉換到航跡坐標系；轉換公式如
下
其中，r是斜距，/是水平距離，A是成像深度；(22)航跡方向矢量計算模塊根據母船的航跡信息計算拖體的航跡信息；合成孔徑聲納航跡的直線方程為_y = OX + 6;其中，fl和6通過下式求解
、1r》/
i...i
i人
其中，各航跡點的坐標為A:(x,，3;,)， w為航跡點個數；
則航跡的方向矢量為信息，計算圖像數據中各像素點的地理坐標；像素點C至航跡的垂直距離如下
其中， 為像素點c沿航跡垂直方向距測繪帶邊緣的像素數，d為像素大
小， in為測繪帶的最小距離；
像素點C對應的地理坐標由下式得到
V V V V
其中，》。(x。,少。)為像素點C成像時對應母船航跡點的地理坐標；/"艦為母船的放纜長度；
(24)初步校準模塊根據圖像數據中各像素點的地理坐標，對圖像數據進行地理編碼，得到圖像數據的地理信息，并利用該地理信息，對該圖像數據進行初步校準。
(3)精確拼接模塊利用初步校準后的圖像數據中的特征點和特征線，對待拼接的圖像數據進行精確校準和拼接。
(31)旋轉量消除模塊消除所述待拼接的圖像數據之間的旋轉量；
(311)根據像素點^、 "i和^、 A計算方向矢量K和V2;其中
V V V V
^ — V - Pr，
VVv2 =VV
—A
(312) 根據方向矢量Vl和V2計算圖像^和^之間存在的旋轉角^;其中
cos 0 = Vj v2,
(313) 根據旋轉角e消除聲納圖像數據71和72之間存在的旋轉量；(32)平移量消除模塊消除所述待拼接的圖像數據之間的平移量；
(321) 根據象素點q、 "i和q、 A之間的對應關系計算待拼接的圖像數據之間的平移量A^，其中
uu uu
2 ,
(322) 根據平移量A^消除待拼接的聲納圖像數據^和^之間存在的平移量。其中，所述待拼接的聲納圖像數據是兩幅或者多幅，所述兩幅或者多幅合成孔徑聲納圖像數據處于相鄰的地理位置；所述兩幅或者多幅合成孔徑聲納圖像中的部分或者全部圖像中存在共同的特征點或特征線。
所述特征點是指合成孔徑聲納圖像中具有一定特征(如強度等)的點目標，特征線是指由特征點組成的線段。
本發明的優點在于本發明提供的一種合成孔徑聲納圖像數據拼接系統及方法同時利用母船的GPS信息和聲納圖像特征，在拖體不安裝高精度導航設備的情況下實現合成孔徑聲納圖像拼接功能，提高了系統的適應性，降低了系統造價。
圖1是本發明合成孔徑聲納圖像數據拼接系統結構流程圖2是本發明初步拼接模塊結構流程圖3是本發明精確拼接模塊結構流程圖4是本發明實施例合成孔徑聲納系統及成像測繪帶；
圖5是本發明實施例合成孔徑聲納成像坐標系；
圖6是本發明合成孔徑聲納圖像數據拼接方法流程圖7是本發明實施例聲納圖像之間的線性變換。
具體實施例方式
本實施例中，合成孔徑聲納系統為拖曳式，即安裝聲納基陣的水下平臺(或拖體)與母船之間通過拖纜聯接。
本實施例采用的合成孔徑聲納圖像數據拼接系統，其結構流程如圖1所示，包括 一系統參數設定模塊，用于根據實際需要，設定系統參數，所述系統參數包括拖纜長度、測繪帶寬、最小距離等。 一初步拼接模塊，用于對待拼接的圖像數據進行地理信息編碼，進行初步拼接，即通過圖像數據的地理編碼信息對帶拼接的圖像數據進行初步校準。及一精確拼接模塊，用于利用初步校準后的圖像數據中的特征點和特征線，對待拼接的圖像數據進行精確校準和拼接。
所述初步圖像拼接模塊，其結構流程如圖2所示，包括 一斜距校正模塊，用于將圖像數據的成像坐標系轉換到航跡坐標系； 一航跡方向矢量計算模塊，用于根據母船的航跡信息計算拖體的航跡信息； 一地理坐標計算模塊，用于根據母船的航跡信息與拖體的航跡信息，計算圖像數據中各像素點的地理坐標；及一初步校準模塊，用于根據圖像數據中各像素點的地理坐標，對圖像數據進行地理編碼，得到圖
11像數據的地理信息，并利用該地理信息，對該圖像數據進行初步校準。
所述精確拼接模塊，其結構流程如圖3所示，包括 一旋轉量消除模塊，用于
消除所述待拼接的圖像數據之間的旋轉量。 一平移量消除模塊，用于消除所述待拼
接的圖像數據之間的平移量。
本實施例涉及的坐標系情況說明如下。
如圖4所示，合成孔徑聲納系統由母船A和拖體B組成，聲納基陣安裝在拖體B 上，圖4中給出了聲納系統沿航跡方向右側掃描的實例，合成孔徑聲納系統掃描測 繪帶對應的最小距離為^m，掃描測繪帶的帶寬為^。
圖5則給出了合成孔徑聲納的成像坐標系，合成孔徑聲納成像坐標系為二維斜 距坐標系，假設對深度為A的平面進行成像，則成像坐標系m^i與航跡坐標系"^之 間的關系如式(l)所示。
下面對聲納圖像地理編碼、聲納圖像拼接步驟進行說明。(如圖6)
(1) 輸入系統參數，包括包括拖纜長度、測繪帶寬、最小距離等。
(2) 聲納圖像地理編碼(初步拼接，即通過圖像數據的地理編碼信息對待拼接 的圖像數據進行初步校準)，如圖2所示。
(21) 斜距校正
如果不考慮高程的因素，地理坐標系^W和航跡坐標系"y'在同一平面上，因 此合成孔徑聲納圖像進行地理編碼之前，需要進行成像坐標系到航跡坐標系的轉換， 轉換公式如(2)所示。
/ = V,-h2 (2)
拖體B在水下工作，無法接收GPS信息，但母船A上可以接收GPS信息，因此 母船A的航跡信息是己知的。理想工作狀態下，母船A和拖體B同時做勻速直線運 動。在這個前提下，可以通過母船A的航跡信息推算拖體B的航跡信息。已知母船A 的航跡信息，推算聲納圖像各像素地理坐標的方法如下(以目標點C為例)。
(22) 計算航跡方向矢量
假設各航跡點的坐標為《"'，^)，航跡點個數為"，合成孔徑聲納航跡的直線 方程為
_y = ox + 6 (3) 航跡直線通過參數"和參數6來表征，通過求解方程組(4)可以求解"和6 。、11—》r
1
…1
31
(4)
采用方向矢量表示航跡便于操作，航跡的方向矢量為:
(23) 計算聲納圖像各象素點地理坐標 假設象素點C距航跡距測繪帶邊緣的像素數為 ，像素大小為"，母船A的放
纜長度為，則根據式(1)可得目標點C至航跡^力的距離如式(6)所示。
"V《-^ ， "din+"c" (6)
假設象素點C成像時對應母船A航跡點地理坐標為A : "，A)，則象素點C對應 的地理坐標由式(7)計算得出。為了便于推導，下文中均采用向量運算，向量實部表 示坐標點橫軸坐標，虛部表示坐標點縱軸坐標
v v v v / ." ,『
Pd-《fe+vx(-'K (7)
(24) 聲納圖像初步校準 利用式(7)可以計算合成孔徑聲納圖像任意像素的地理坐標，即對聲納圖像進行
地理編碼。經過地理編碼后的聲納圖像已經具有了地理信息。利用地理信息，可以 對地理編碼后的聲納圖像進行初校準。經過初校準后，可以大致確定聲納圖像所處 的地理區域，為聲納圖像拼接做好準備。 (3)聲納圖像拼接
采用式(7)計算聲納圖像的地理信息精度受多種因素的影響。在式(7)推導過程 中，假設母船A和拖體B處在同一直線上。在實際應用中，由于拖體B與母船A之 間的連接為柔性連接，拖體B的位置受水流等多種因素的影響，因此拖體B與母船A 的航跡之間可能會存在一定的誤差。要獲取拖體B相對母船A航跡之間精確位置關 系，需要借助水下高精度的導航傳感器(比如高精度慣導設備或者聲學定位設備)， 這些傳感器的價格非常昂貴，而且精度受多種因素的影響(如積分時間等)。為了解 決此問題，提出利用圖像特征對聲納圖像進行精確對準。如果不同航次獲取的聲納 圖像之間存在重疊，重疊的聲納圖像特征可以用于聲納圖像的精確對準。
從不同角度對目標的合成孔徑聲納成像結果存在不同，這種不同可以看作是不 同角度聲納圖像之間存在一個線性變換，這種線性變換包括圖像的旋轉和圖像的平
13移。以兩幅不同角度聲納圖像為例，假設圖像^是角度^獲取的合成孔徑聲納圖像， 圖像/2是角度"2獲取的合成孔徑聲納圖像，理論上如果要獲取71和/2之間的線性變 換，只需要確定^和^中對應的兩個點即可。如圖7所示，假設可以確定聲納圖像71 和^之間存在對應的象素點C和象素點"，即圖像^中的象素點^、 A與圖像^中
的象素點q、 "2對應的成像目標是相同的，則精確對準圖像^和^的步驟如下。如 圖3所示。
(31)根據象素點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)
根據方向矢量^和V2計算圖像71和/2之間存在的旋轉角0 ，其中
cos^ =《.《2 (10)
根據旋轉角^可以消除聲納圖像71和/2之間存在的旋轉量，
(32)根據象素點G、 Di和q、 "2之間的對應關系計算兩幅圖像之間的平移 量，其中
v v v v
g = ^|^ (13)
根據平移量AP可以消除聲納圖像Zl和^之間存在的平移量。
1權利要求
1、一種合成孔徑聲納圖像數據拼接系統，其特征在于，所述系統包括一系統參數設定模塊，用于根據實際需要，設定系統參數；一初步拼接模塊，用于對帶拼接的圖像數據進行地理信息編碼，進行初步拼接，即通過圖像數據的地理編碼信息對待拼接的圖像數據進行初步校準；及一精確拼接模塊，用于利用初步校準后的圖像數據中的特征點和特征線，對待拼接的圖像數據進行精確校準和拼接。
2、 根據權利要求l所述的圖像數據拼接系統，其特征在于，所述初步拼接模塊 還包括一斜距校正模塊，用于將圖像數據由成像坐標系轉換到航跡坐標系；轉換公式 如下一 =//z2 +/2 ; 其中，r是斜距，/是水平距離，/ 是成像深度。
3、 根據權利要求l所述的圖像數據拼接系統，其特征在于，所述初步拼接模塊 還包括一航跡方向矢量計算模塊，用于在航跡坐標系中，根據母船的航跡信息計算拖 體的航跡信息；合成孔徑聲納航跡的直線方程為^ =欲+ 6;其中，a和6通過下 式求解-<formula>formula see original document page 2</formula>其中，各航跡點的坐標為A:(;c,j,)， w為航跡點個數； 則航跡的方向矢量為VV =1
4、根據權利要求l所述的圖像數據拼接系統，其特征在于，所述初步拼接模塊還包括一地理坐標計算模塊，用于根據母船的航跡信息與拖體的航跡信息，計算圖像 數據中各像素點的地理坐標；像素點C至航跡的垂直距離為t :一A ， rc=rmin +其中， 為像素點C沿航跡垂直方向距測繪帶邊緣的像素數，J為像素大 小，^min為測繪帶的最小距離；像素點C對應的地理坐標由下式得到其中，A:Oc。,y。)為像素點C成像時對應母船航跡點的地理坐標；/"^為母船的 放纜長度。
5、 根據權利要求l所述的圖像數據拼接系統，其特征在于，所述初步拼接模塊 還包括一初步校準模塊，用于根據圖像數據中各像素點的地理坐標，對圖像數據進行 地理編碼，得到圖像數據的地理信息，并利用該地理信息，對該圖像數據進行初步 校準。
6、 根據權利要求l所述的圖像數據拼接系統，其特征在于，所述精確拼接模塊 還包括-一旋轉量消除模塊，用于消除所述待拼接的圖像數據之間的旋轉量； 首先，根據像素點^、 "i和q、 "2計算方向矢量^和^;<formula>formula see original document page 3</formula>其中然后，根據方向矢量V1和V2計算圖像7i和/2之間存在的旋轉角e ;其中<formula>formula see original document page 3</formula>最后，根據旋轉角^消除聲納圖像數據7'和/2之間存在的旋轉量。
7、根據權利要求l所述的圖像數據拼接系統，其特征在于，所述精確拼接模塊 還包括一平移量消除模塊，用于消除所述待拼接的圖像數據之間的平移量；根據象素點q、 ^和q、 "2之間的對應關系計算待拼接的圖像數據之間的平移量A^，其中<formula>formula see original document page 3</formula>根據平移量A^消除待拼接的聲納圖像數據7l和/2之間存在的平移量。
8、 根據權利要求1所述的圖像數據拼接系統，其特征在于，所述系統參數包括: 拖纜長度、測繪帶寬、最小距離。
9、 根據權利要求l所述的圖像數據拼接系統，其特征在于，所述待拼接的聲納 圖像數據是兩幅或者多幅，所述兩幅或者多幅合成孔徑聲納圖像數據處于相鄰的地 理位置；所述兩幅或者多幅合成孔徑聲納圖像中的部分或者全部圖像中存在共同的 特征點或特征線。
10、 一種合成孔徑聲納圖像數據拼接方法，包括以下步驟(1) 根據實際需要，通過系統參數設定模塊，設定系統參數；(2) 初步拼接模塊對待拼接的圖像數據進行地理信息編碼，進行初步拼接，即 通過圖像數據的地理編碼信息對待拼接的圖像數據進行初步校準；(3) 精確拼接模塊利用初步校準后的圖像數據中的特征點和特征線，對待拼接 的圖像數據進行精確校準和拼接。
11、 根據權利要求10所述的圖像數據拼接方法，其特征在于，所述步驟(2) 進一步包括以下子步驟(21)斜距校正模塊將圖像數據由成像坐標系轉換到航跡坐標系；轉換公式如下r2 = aM2 +/2 ; 其中，r是斜距，/是水平距離，A是成像深度； (22)航跡方向矢量計算模塊根據母船的航跡信息計算拖體的航跡信息；合成 孔徑聲納航跡的直線方程為y = ^C + 6;其中，fl和6通過下式求解、r-(i…i&i人其中，各航跡點的坐標為A:0c,，x)，"為航跡點個數； 則航跡的方向矢量為廠 1vV =(23)地理坐標計算模塊根據母船的航跡信息與拖體的航跡信息，計算圖像數 據中各像素點的地理坐標；像素點C至航跡的垂直距離如下其中， 為像素點C沿航跡垂直方向距測繪帶邊緣的像素數，d為像素大 小， in為測繪帶的最小距離；像素點C對應的地理坐標由下式得到V V V VPc-A)一v匕他+vx(一K; 其中，A:Oc。j。)為像素點C成像時對應母船航跡點的地理坐標；/。*為母 船的放纜長度；(24)初步校準模塊根據圖像數據中各像素點的地理坐標，對圖像數據進行地 理編碼，得到圖像數據的地理信息，并利用該地理信息，對該圖像數據進行初步校 準。
12、根據權利要求10所述的圖像數據拼接方法，其特征在于，所述步驟(3) 進一步包括以下子步驟(31)旋轉量消除模塊消除所述待拼接的圖像數據之間的旋轉量； (311)根據像素點q、 "i和^、 A計算方向矢量、和V2;其中V V V VVVV2 =VVp。,，(312) 根據方向矢量Vi和V2計算圖像^和72之間存在的旋轉角^;其中COSP:、 'V2(313) 根據旋轉角^消除聲納圖像數據7i和72之間存在的旋轉量； (32)平移量消除模塊消除所述待拼接的圖像數據之間的平移量；(321) 根據象素點q、 "i和q、 "2之間的對應關系計算待拼接的圖像數據之 間的平移量A^，其中lwuu v v uu uu2(322) 根據平移量A^消除待拼接的聲納圖像數據^和^之間存在的平移量。
13、 根據權利要求10所述的圖像數據拼接方法，其特征在于，所述系統參數包 括拖纜長度、測繪帶寬、最小距離。
14、 根據權利要求10所述的圖像數據拼接方法，其特征在于，所述待拼接的聲納圖像數據是兩幅或者多幅，所述兩幅或者多幅合成孔徑聲納圖像數據處于相鄰的 地理位置；所述兩幅或者多幅合成孔徑聲納圖像中的部分或者全部圖像中存在共同 的特征點或特征線。
全文摘要
本發明公開了一種合成孔徑聲納圖像數據拼接系統及方法。所述系統包括系統參數設定模塊、初步拼接模塊及精確拼接模塊。所述方法包括以下步驟(1)根據實際需要，設定系統參數；(2)對待拼接的圖像數據進行地理信息編碼，進行初步拼接，即通過圖像數據的地理編碼信息對待拼接的圖像數據進行初步校準；(3)利用初步校準后的圖像數據中的特征點和特征線，對待拼接的圖像數據進行精確校準和拼接。本發明的優點在于本發明提供的一種合成孔徑聲納圖像數據拼接系統及方法同時利用母船的GPS信息和聲納圖像特征，在拖體不安裝高精度導航設備的情況下實現合成孔徑聲納圖像拼接功能，提高了系統的適應性，降低了系統造價。
文檔編號G01S7/52GK101650426SQ20081022478
公開日2010年2月17日 申請日期2008年12月26日 優先權日2008年12月26日
發明者維 劉, 劉紀元, 張春華 申請人:中國科學院聲學研究所