專利名稱：一種用于聲納探測定位的多源數據融合平臺及方法
技術領域：
本發明涉及一種用于聲納探測定位的多源數據融合平臺及方法，具體涉及一種將多個異步數據源按照同一時標基準進行數據融合的平臺及方法。
背景技術：
隨著水聲定位技術的發展，其在海洋勘探、海洋試驗、海洋軍事等領域得到越來越多的應用；由于水下環境的不確定性和復雜性，在進行水下目標聯合定位時，需要同時使用測高、測深、姿態、羅經和聲納等多個外部傳感器；但是這些外部傳感器的輸出在時間上通常不同步，頻率也不相同；另外由于聲納信號處理和圖像處理需要一定的時間，所以聲納探測數據最終的產生的時間往往滯后于當前時間；因此，如果直接將這些異步的傳感器信息和聲納探測信息作為定位數據處理進行輸入，將難以對水下目標的位置做出準確判斷，從而引入較大的誤差。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于聲納探測定位的多源數據融合平臺及方法，從而解決現有技術中，將多源異步數據作為數據處理輸入項時，由于輸入信息不同步所引入的誤差問題。為實現本發明的目的，本發明的技術方案如下。一種用于聲納探測定位的多源數據融合平臺，所述平臺分為水上部分和水下部分，其中水上部分包括GPS設備、航向姿態測量儀和數據融合處理單元；水下部分包括測高儀和聲納設備；水上部分與水下部分之間通過以太網進行通信；所述GPS設備、航向姿態測量儀、測高儀和聲納設備可將數據傳送給數據融合處理單元，GPS設備可將數據傳送給航向姿態測量儀、測高儀和聲納設備。GPS設備的作用是，向數據融合處理單元提供GPS定位信息，同時對測高儀、航向姿態測量儀和聲納設備提供標準時間，對平臺進行定位。航向姿態測量儀的作用是，提供水上平臺的航向和姿態信息，并將航向和姿態信息發送至數據融合處理單元。聲納的作用是，實時使用聲納波束探測海底目標，并將聲納探測信息發送至數據融合處理單元。測高儀的作用是，實時測量平臺距離海底高度，并將高度信息發送至數據融合處理單元。數據融合處理單元包括GPS信息緩沖區、高度信息緩沖區、航向信息和姿態信息緩沖區，作用是將測高儀、航向姿態測量儀和聲納設備輸出的信息進行融合，構成完整的，具備高度信息、航向信息和姿態信息的聲納數據幀。一種用于聲納探測定位的多源數據融合方法，所述方法步驟如下
步驟一、數據融合處理單元定時接收GPS設備產生的GPS信息，并存入GPS信息緩沖區；數據融合處理單元定時接收測高儀產生的高度信息，并存入高度信息緩沖區；數據融合處理單元定時接收航向姿態測量儀產生的航向信息和姿態信息，并分別存入航向息和姿態息緩沖區；步驟二、聲納在探測作業過程中定時向數據融合處理單元發送聲納數據，所述聲納數據包含待填充的空白字段；聲納數據產生時的時間為時戳；步驟三、從聲納數據中取當前幀時戳，得到時戳信息；步驟四、按照時間對應關系，將取出的時戳信息分別與步驟一中各個信息緩沖區中存入的數據進行比對；根據比對結果，進行情況判斷如果緩沖區中存在與時戳信息恰好對應的數據，將該數據直接取出，接步驟五；如果緩沖區中不存在與時戳信息恰好對應的數據，將與時戳信息所在時間點最接近的兩個數據取出然后對取出的兩個數據進行插值處理，得到處理后的數據信息，接步驟五；步驟五、經直接取出或插值處理后，得到一組GPS信息、高度信息、航向信息和姿態息;步驟六、將GPS信息、高度信息、航向信息、姿態信息分別填入聲納數據相應字段；最終融合為一巾貞包含GPS位置信息、高度信息、航向信息和姿態信息聲納數據。其中，優選在步驟一和步驟二中，所述GPS信息、高度信息、航向信息和姿態信息的產生頻率大于時戳信息的產生頻率。有益效果本發明提供的用于聲納探測定位的多源數據融合平臺及方法，可解決在接收多個外部傳感器發送數據時信息異步，以及聲納探測與定位時聲納圖像信息滯后導致的融合數據誤差的問題，并提高聲納探測與目標定位的精度。
圖1是本發明用于聲納探測定位的多源數據融合平臺的技術方案原理圖；圖2是本發明數據緩存示意圖；圖3是本發明數據融合工作流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的說明。實施例如圖1所示的用于聲納探測定位的多源數據融合平臺，所述平臺分為水上部分和水下部分，其中水上部分包括GPS設備、航向姿態測量儀和數據融合處理單元；水下部分包括測高儀和聲納設備；水上部分與水下部分之間通過以太網進行通信；所述GPS設備、航向姿態測量儀、測高儀和聲納設備可將數據傳送給數據融合處理單元，GPS設備可將數據傳送給航向姿態測量儀、測高儀和聲納設備。
GPS設備的作用是，向數據融合處理單元提供GPS定位信息，同時對測高儀、航向姿態測量儀和聲納設備輸出IPPS授時信息，對平臺進行定位。航向姿態測量儀的作用是，提供水上平臺的航向和姿態信息，并將航向和姿態信息發送至數據融合處理單元。聲納的作用是，實時使用聲納波束探測海底目標，并將聲納探測信息發送至數據融合處理單元。測高儀的作用是，實時測量平臺距離海底高度，并將高度信息發送至數據融合處理單元。數據融合處理單元采用PC104平臺的嵌入式結構，提供網絡接口和串行接口，包括GPS信息緩沖區、高度信息緩沖區、航向信息和姿態信息緩沖區，作用是將GPS設備、測高儀、航向姿態測量儀和聲納設備輸出的多源數據信息進行融合，構成完整的，具備高度信息、航向信息和姿態信息的聲納數據幀。如圖2所示是數據融合處理單元接收到GPS信息、高度信息、航向信息和姿態信息后，將數據存儲在嵌入式平臺的內部緩沖區內的示意圖。其中，數據融合處理單元每接收到一幀GPS信息后將GPS信息(含時戳)存入GPS信息緩沖區；每接收到一幀高度信息后將高度信息(含時戳)存入高度信息緩沖區；每接收到一幀航向信息后將航向信息(含時戳)存入航向信息緩沖區；每接 收到一幀姿態信息后將姿態信息(含時戳)存入姿態信息緩沖區；以上四個緩沖區的大小可通過參數調整，默認參數可滿足存儲10秒鐘的對應數據幀。一種用于聲納探測定位的多源數據融合方法，所述方法步驟如下其中數據融合處理單元由緩沖區中取出數據進行融合的流程示意圖如圖3所示；步驟一、數據融合處理單元定時接收GPS設備產生的GPS信息，并存入GPS信息緩沖區；數據融合處理單元定時接收測高儀產生的高度信息，并存入高度信息緩沖區；數據融合處理單元定時接收航向姿態測量儀產生的航向信息和姿態信息，并分別存入航向息和姿態息緩沖區；步驟二、聲納在探測作業過程中定時向數據融合處理單元發送聲納數據，所述聲納數據包含待填充的空白字段；聲納數據產生時的時間為時戳；步驟三、從聲納數據中取當前幀時戳，得到時戳信息；步驟四、按照時間對應關系，將取出的時戳信息分別與步驟一中各個信息緩沖區中存入的數據進行比對；根據比對結果，進行情況判斷如果緩沖區中存在與時戳信息恰好對應的數據，將該數據直接取出，接步驟五；如果緩沖區中不存在與時戳信息恰好對應的數據，將與時戳信息所在時間點最接近的兩個數據取出(如聲納數據中的時戳信息為ls、2s、3s，緩沖區中對應的數據為0. 9^1.1sU. 9^2.1s);然后對取出的兩個數據進行插值處理，得到處理后的數據信息，接步驟五；步驟五、經直接取出或插值處理后，得到一組GPS信息、高度信息、航向信息和姿態息;步驟六、將GPS信息、高度信息、航向信息、姿態信息分別填入聲納數據相應字段；最終融合為一巾貞包含GPS位置信息、高度信息、航向信息和姿態信息聲納數據。
其中，步驟一中GPS信息、高度信息、航向信息、姿態信息的產生頻率為5Hz，步驟二中時戳信息的產生頻率為IHz。綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種用于聲納探測定位的多源數據融合平臺，其特征在于所述平臺分為水上部分和水下部分，其中水上部分包括GPS設備、航向姿態測量儀和數據融合處理單元；水下部分包括測高儀和聲納設備； 水上部分與水下部分之間通過以太網進行通信；所述GPS設備、航向姿態測量儀、測高儀和聲納設備將數據傳送給數據融合處理單元，GPS設備將數據傳送給航向姿態測量儀、測聞儀和聲納設備； 其中，GPS設備的作用是，向數據融合處理單元提供GPS定位信息，同時對測高儀、航向姿態測量儀和聲納設備提供標準時間，對平臺進行定位； 航向姿態測量儀的作用是，提供水上平臺的航向和姿態信息，并將航向和姿態信息發送至數據融合處理單元； 聲納的作用是，實時使用聲納波束探測海底目標，并將聲納探測信息發送至數據融合處理單元； 測高儀的作用是，實時測量平臺距離海底高度，并將高度信息發送至數據融合處理單元; 數據融合處理單元包括GPS信息緩沖區、高度信息緩沖區、航向信息和姿態信息緩沖區，作用是將測高儀、航向姿態測量儀和聲納設備輸出的信息進行融合，構成完整的，具備高度信息、航向信息和姿態信息的聲納數據幀。
2.一種用于聲納探測定位的多源數據融合方法，所述方法采用如權利要求1所述的多源數據融合平臺，其特征在于所述方法步驟如下 步驟一、數據融合處理單元定時接收GPS設備產生的GPS信息，并存入GPS信息緩沖區； 數據融合處理單元定時接收測高儀產生的高度信息，并存入高度信息緩沖區； 數據融合處理單元定時接收航向姿態測量儀產生的航向信息和姿態信息，并分別存入航向息和姿態息緩沖區； 步驟二、聲納在探測作業過程中定時向數據融合處理單元發送聲納數據，所述聲納數據包含待填充的空白字段；聲納數據產生時的時間為時戳； 步驟三、從聲納數據中取當前幀時戳，得到時戳信息； 步驟四、按照時間對應關系，將取出的時戳信息分別與步驟一中各個信息緩沖區中存入的數據進行比對；根據比對結果，進行情況判斷 如果緩沖區中存在與時戳信息恰好對應的數據，將該數據直接取出，接步驟五； 如果緩沖區中不存在與時戳信息恰好對應的數據，將與時戳信息所在時間點最接近的兩個數據取出然后對取出的兩個數據進行插值處理，得到處理后的數據信息，接步驟五；步驟五、經直接取出或插值處理后，得到一組GPS信息、高度信息、航向信息和姿態信息； 步驟六、將GPS信息、高度信息、航向信息、姿態信息分別填入聲納數據相應字段；最終融合為一巾貞包含GPS位置信息、高度信息、航向信息和姿態信息聲納數據。
3.根據權利要求2所述的一種用于聲納探測定位的多源數據融合方法，其特征在于在步驟一和步驟二中，所述GPS信息、高度信息、航向信息和姿態信息的產生頻率大于時戳信息的產生頻率。
全文摘要
本發明公開了一種應用于聲納探測定位的多源數據融合平臺及方法。通過GPS設備對測高儀、航向姿態測量儀和聲納設備進行授時；測高儀、航向姿態測量儀和聲納設備輸出數據到數據融合處理單元；數據融合處理單元以接收到的聲納數據中的時戳為基準，在相應的測高數據、航向數據和姿態數據緩沖區中動態匹配，再經數據處理，取出該時標對應的數據；將依次取出的數據在聲納數據頭中相應的字段位置中進行融合，構成一幀完整的聲納數據幀；本發明解決了聲納探測定位時多源異步數據作為數據處理輸入項時，由于輸入信息不同步所引入的誤差問題，有利于提高對目標的最終定位精度，可應用于水下探測、水下打撈、水下監控以及水下安防等領域。
文檔編號G01S15/02GK103033814SQ20121056302
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者張吟, 姜婷, 余白石, 王丹, 邵興 申請人:中國船舶重工集團公司第七一○研究所