专利名称：一种用于声纳探测定位的多源数据融合平台及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于声纳探测定位的多源数据融合平台及方法，具体涉及一种将多个异步数据源按照同一时标基准进行数据融合的平台及方法。
背景技术：
随着水声定位技术的发展，其在海洋勘探、海洋试验、海洋军事等领域得到越来越多的应用；由于水下环境的不确定性和复杂性，在进行水下目标联合定位时，需要同时使用测高、测深、姿态、罗经和声纳等多个外部传感器；但是这些外部传感器的输出在时间上通常不同步，频率也不相同；另外由于声纳信号处理和图像处理需要一定的时间，所以声纳探测数据最终的产生的时间往往滞后于当前时间；因此，如果直接将这些异步的传感器信息和声纳探测信息作为定位数据处理进行输入，将难以对水下目标的位置做出准确判断，从而引入较大的误差。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于声纳探测定位的多源数据融合平台及方法，从而解决现有技术中，将多源异步数据作为数据处理输入项时，由于输入信息不同步所引入的误差问题。为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下。一种用于声纳探测定位的多源数据融合平台，所述平台分为水上部分和水下部分，其中水上部分包括GPS设备、航向姿态测量仪和数据融合处理单元；水下部分包括测高仪和声纳设备；水上部分与水下部分之间通过以太网进行通信；所述GPS设备、航向姿态测量仪、测高仪和声纳设备可将数据传送给数据融合处理单元，GPS设备可将数据传送给航向姿态测量仪、测高仪和声纳设备。GPS设备的作用是，向数据融合处理单元提供GPS定位信息，同时对测高仪、航向姿态测量仪和声纳设备提供标准时间，对平台进行定位。航向姿态测量仪的作用是，提供水上平台的航向和姿态信息，并将航向和姿态信息发送至数据融合处理单元。声纳的作用是，实时使用声纳波束探测海底目标，并将声纳探测信息发送至数据融合处理单元。测高仪的作用是，实时测量平台距离海底高度，并将高度信息发送至数据融合处理单元。数据融合处理单元包括GPS信息缓冲区、高度信息缓冲区、航向信息和姿态信息缓冲区，作用是将测高仪、航向姿态测量仪和声纳设备输出的信息进行融合，构成完整的，具备高度信息、航向信息和姿态信息的声纳数据帧。一种用于声纳探测定位的多源数据融合方法，所述方法步骤如下
步骤一、数据融合处理单元定时接收GPS设备产生的GPS信息，并存入GPS信息缓冲区；数据融合处理单元定时接收测高仪产生的高度信息，并存入高度信息缓冲区；数据融合处理单元定时接收航向姿态测量仪产生的航向信息和姿态信息，并分别存入航向息和姿态息缓冲区；步骤二、声纳在探测作业过程中定时向数据融合处理单元发送声纳数据，所述声纳数据包含待填充的空白字段；声纳数据产生时的时间为时戳；步骤三、从声纳数据中取当前帧时戳，得到时戳信息；步骤四、按照时间对应关系，将取出的时戳信息分别与步骤一中各个信息缓冲区中存入的数据进行比对；根据比对结果，进行情况判断如果缓冲区中存在与时戳信息恰好对应的数据，将该数据直接取出，接步骤五；如果缓冲区中不存在与时戳信息恰好对应的数据，将与时戳信息所在时间点最接近的两个数据取出然后对取出的两个数据进行插值处理，得到处理后的数据信息，接步骤五；步骤五、经直接取出或插值处理后，得到一组GPS信息、高度信息、航向信息和姿态息;步骤六、将GPS信息、高度信息、航向信息、姿态信息分别填入声纳数据相应字段；最终融合为一巾贞包含GPS位置信息、高度信息、航向信息和姿态信息声纳数据。其中，优选在步骤一和步骤二中，所述GPS信息、高度信息、航向信息和姿态信息的产生频率大于时戳信息的产生频率。有益效果本发明提供的用于声纳探测定位的多源数据融合平台及方法，可解决在接收多个外部传感器发送数据时信息异步，以及声纳探测与定位时声纳图像信息滞后导致的融合数据误差的问题，并提高声纳探测与目标定位的精度。


图1是本发明用于声纳探测定位的多源数据融合平台的技术方案原理图；图2是本发明数据缓存示意图；图3是本发明数据融合工作流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。实施例如图1所示的用于声纳探测定位的多源数据融合平台，所述平台分为水上部分和水下部分，其中水上部分包括GPS设备、航向姿态测量仪和数据融合处理单元；水下部分包括测高仪和声纳设备；水上部分与水下部分之间通过以太网进行通信；所述GPS设备、航向姿态测量仪、测高仪和声纳设备可将数据传送给数据融合处理单元，GPS设备可将数据传送给航向姿态测量仪、测高仪和声纳设备。
GPS设备的作用是，向数据融合处理单元提供GPS定位信息，同时对测高仪、航向姿态测量仪和声纳设备输出IPPS授时信息，对平台进行定位。航向姿态测量仪的作用是，提供水上平台的航向和姿态信息，并将航向和姿态信息发送至数据融合处理单元。声纳的作用是，实时使用声纳波束探测海底目标，并将声纳探测信息发送至数据融合处理单元。测高仪的作用是，实时测量平台距离海底高度，并将高度信息发送至数据融合处理单元。数据融合处理单元采用PC104平台的嵌入式结构，提供网络接口和串行接口，包括GPS信息缓冲区、高度信息缓冲区、航向信息和姿态信息缓冲区，作用是将GPS设备、测高仪、航向姿态测量仪和声纳设备输出的多源数据信息进行融合，构成完整的，具备高度信息、航向信息和姿态信息的声纳数据帧。如图2所示是数据融合处理单元接收到GPS信息、高度信息、航向信息和姿态信息后，将数据存储在嵌入式平台的内部缓冲区内的示意图。其中，数据融合处理单元每接收到一帧GPS信息后将GPS信息(含时戳)存入GPS信息缓冲区；每接收到一帧高度信息后将高度信息(含时戳)存入高度信息缓冲区；每接收到一帧航向信息后将航向信息(含时戳)存入航向信息缓冲区；每接 收到一帧姿态信息后将姿态信息(含时戳)存入姿态信息缓冲区；以上四个缓冲区的大小可通过参数调整，默认参数可满足存储10秒钟的对应数据帧。一种用于声纳探测定位的多源数据融合方法，所述方法步骤如下其中数据融合处理单元由缓冲区中取出数据进行融合的流程示意图如图3所示；步骤一、数据融合处理单元定时接收GPS设备产生的GPS信息，并存入GPS信息缓冲区；数据融合处理单元定时接收测高仪产生的高度信息，并存入高度信息缓冲区；数据融合处理单元定时接收航向姿态测量仪产生的航向信息和姿态信息，并分别存入航向息和姿态息缓冲区；步骤二、声纳在探测作业过程中定时向数据融合处理单元发送声纳数据，所述声纳数据包含待填充的空白字段；声纳数据产生时的时间为时戳；步骤三、从声纳数据中取当前帧时戳，得到时戳信息；步骤四、按照时间对应关系，将取出的时戳信息分别与步骤一中各个信息缓冲区中存入的数据进行比对；根据比对结果，进行情况判断如果缓冲区中存在与时戳信息恰好对应的数据，将该数据直接取出，接步骤五；如果缓冲区中不存在与时戳信息恰好对应的数据，将与时戳信息所在时间点最接近的两个数据取出(如声纳数据中的时戳信息为ls、2s、3s，缓冲区中对应的数据为0. 9^1.1sU. 9^2.1s);然后对取出的两个数据进行插值处理，得到处理后的数据信息，接步骤五；步骤五、经直接取出或插值处理后，得到一组GPS信息、高度信息、航向信息和姿态息;步骤六、将GPS信息、高度信息、航向信息、姿态信息分别填入声纳数据相应字段；最终融合为一巾贞包含GPS位置信息、高度信息、航向信息和姿态信息声纳数据。
其中，步骤一中GPS信息、高度信息、航向信息、姿态信息的产生频率为5Hz，步骤二中时戳信息的产生频率为IHz。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于声纳探测定位的多源数据融合平台，其特征在于所述平台分为水上部分和水下部分，其中水上部分包括GPS设备、航向姿态测量仪和数据融合处理单元；水下部分包括测高仪和声纳设备； 水上部分与水下部分之间通过以太网进行通信；所述GPS设备、航向姿态测量仪、测高仪和声纳设备将数据传送给数据融合处理单元，GPS设备将数据传送给航向姿态测量仪、测闻仪和声纳设备； 其中，GPS设备的作用是，向数据融合处理单元提供GPS定位信息，同时对测高仪、航向姿态测量仪和声纳设备提供标准时间，对平台进行定位； 航向姿态测量仪的作用是，提供水上平台的航向和姿态信息，并将航向和姿态信息发送至数据融合处理单元； 声纳的作用是，实时使用声纳波束探测海底目标，并将声纳探测信息发送至数据融合处理单元； 测高仪的作用是，实时测量平台距离海底高度，并将高度信息发送至数据融合处理单元; 数据融合处理单元包括GPS信息缓冲区、高度信息缓冲区、航向信息和姿态信息缓冲区，作用是将测高仪、航向姿态测量仪和声纳设备输出的信息进行融合，构成完整的，具备高度信息、航向信息和姿态信息的声纳数据帧。
2.一种用于声纳探测定位的多源数据融合方法，所述方法采用如权利要求1所述的多源数据融合平台，其特征在于所述方法步骤如下 步骤一、数据融合处理单元定时接收GPS设备产生的GPS信息，并存入GPS信息缓冲区； 数据融合处理单元定时接收测高仪产生的高度信息，并存入高度信息缓冲区； 数据融合处理单元定时接收航向姿态测量仪产生的航向信息和姿态信息，并分别存入航向息和姿态息缓冲区； 步骤二、声纳在探测作业过程中定时向数据融合处理单元发送声纳数据，所述声纳数据包含待填充的空白字段；声纳数据产生时的时间为时戳； 步骤三、从声纳数据中取当前帧时戳，得到时戳信息； 步骤四、按照时间对应关系，将取出的时戳信息分别与步骤一中各个信息缓冲区中存入的数据进行比对；根据比对结果，进行情况判断 如果缓冲区中存在与时戳信息恰好对应的数据，将该数据直接取出，接步骤五； 如果缓冲区中不存在与时戳信息恰好对应的数据，将与时戳信息所在时间点最接近的两个数据取出然后对取出的两个数据进行插值处理，得到处理后的数据信息，接步骤五；步骤五、经直接取出或插值处理后，得到一组GPS信息、高度信息、航向信息和姿态信息； 步骤六、将GPS信息、高度信息、航向信息、姿态信息分别填入声纳数据相应字段；最终融合为一巾贞包含GPS位置信息、高度信息、航向信息和姿态信息声纳数据。
3.根据权利要求2所述的一种用于声纳探测定位的多源数据融合方法，其特征在于在步骤一和步骤二中，所述GPS信息、高度信息、航向信息和姿态信息的产生频率大于时戳信息的产生频率。
全文摘要
本发明公开了一种应用于声纳探测定位的多源数据融合平台及方法。通过GPS设备对测高仪、航向姿态测量仪和声纳设备进行授时；测高仪、航向姿态测量仪和声纳设备输出数据到数据融合处理单元；数据融合处理单元以接收到的声纳数据中的时戳为基准，在相应的测高数据、航向数据和姿态数据缓冲区中动态匹配，再经数据处理，取出该时标对应的数据；将依次取出的数据在声纳数据头中相应的字段位置中进行融合，构成一帧完整的声纳数据帧；本发明解决了声纳探测定位时多源异步数据作为数据处理输入项时，由于输入信息不同步所引入的误差问题，有利于提高对目标的最终定位精度，可应用于水下探测、水下打捞、水下监控以及水下安防等领域。
文档编号G01S15/02GK103033814SQ20121056302
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者张吟, 姜婷, 余白石, 王丹, 邵兴 申请人:中国船舶重工集团公司第七一○研究所