信号稀疏分解及其在路面轮廓信号处理中的应用研究

论文摘要

路面轮廓病害的检测属于路面检测的一个重要组成部分。本文项目背景是黑龙江省科技厅重点项目《多功能公路路面检测技术及装备研究》。作为项目的一个分支,本课题的目的是在分析现有路面病害检测技术的基础上,运用现代先进的信号处理方法对采集到的路面轮廓信号进行处理,实现路面轮廓、病害特征和噪声的分离,给出路面的病害参数,方便下一步的数据处理。信号稀疏分解作为一种新兴的信号分析与处理方法,具有许多优良的特性。目前已有许多学者将它应用于不同的领域,并取得了很好的效果。本文目的是将信号稀疏分解应用于路面轮廓病害检测领域,研究基于稀疏分解理论的路面轮廓病害检测方法。本文首先对公路路面病害自动检测的发展及研究现状做了分析,指出其中存在的问题和不足,接着论述了本文的理论基础和实际数据基础。作为理论基础,本文从数学角度描述了信号稀疏分解的基本思想,分析了其特点、发展趋势以及在信号处理领域的应用,并与传统的信号正交分解方法对比;作为实际模型依据,研究公路路面轮廓信号特征及几种典型病害的特点、成因,建立了相应的病害特征模型以便于过完备原子库的建立。最后,提出一种基于信号稀疏分解的公路路面轮廓病害特征检测方法,第一次将信号稀疏分解引入到公路路面轮廓信号处理中。根据建立的路面病害特征模型,提出利用路面病害特征作为过完备原子库来分解信号,并结合匹配追踪算法实现了路面病害特征的分离,试验结果表明,该方法比传统的信号分解方法更有效,提取的结果有更为明确的物理意义。实验结果表明本文方法在公路路面病害特征检测中是有效、可行的,可以为公路的评价提供依据,对公路后期的养护和管理具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 公路路面病害自动检测国内外研究发展现状
• 1.2.1 国外研究现状及发展状况
• 1.2.2 国内研究现状及发展状况
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的章节安排
• 第2章 基于过完备字典的信号稀疏分解
• 2.1 信号表示
• 2.2 基于正交基的的信号分解
• 2.2.1 傅里叶变换
• 2.2.2 短时傅里叶变换
• 2.2.3 小波变换
• 2.2.4 传统完备基展开的缺陷
• 2.3 信号稀疏分解
• 2.3.1 信号稀疏分解的定义
• 2.3.2 过完备原子库
• 2.4 信号稀疏分解在信号处理领域的应用
• 2.5 本章小结
• 第3章 轮廓获取系统概述及病害特征研究
• 3.1 路面轮廓采集系统
• 3.1.1 系统结构
• 3.1.2 路面轮廓信号提取
• 3.2 路面各种病害的模型及描述
• 3.2.1 裂缝模型
• 3.2.2 坑洼模型
• 3.2.3 突起模型
• 3.2.4 车辙模型
• 3.3 路面轮廓信号特征分析
• 3.4 仿真实验结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于稀疏分解的路面病害特征提取
• 4.1 引言
• 4.2 字典的建立
• 4.2.1 Gabor原子库
• 4.2.2 基于实际病害模型的原子库
• 4.3 自适应分解算法
• 4.3.1 匹配追踪算法
• 4.3.2 算法实现及其特点
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿真数据和实际路面实验数据分析
• 5.1 仿真实验
• 5.2 实际路面实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢