航道水深监测系统中数据处理的关键技术研究

论文摘要

港口泥沙淤积现象在世界范围内普遍存在,由于其直接影响安全航行和航运效益,各有关国家对此十分重视,开展了多种泥沙淤积预报理论和现场监测技术研究。本课题来源于某港口航道水深适时监测技术研究的实际工程项目,本文主要的研究内容是水深信号处理算法和数据监控中心的设计与实现。从监测系统终端所获得的数据只是原始的水深数据,不是最终需要的水深值,寻找合适的计算水深值的算法是本课题最重要的工作内容之一。由水声传播信道特性可知,对于狭窄航道来说,水声信号的传播必然存在多径现象,并且由于声波在不同路径中传播时路径长度的差异,到达该点的声波能量和时间也不相同,因此我们在计算多径信号的水深值时,必须考虑信号时延带来的问题。基于整个系统的监测原理,并在分析了监测系统中发射和接收的水深信号的特征后,采用WRELAX(多径信号时延估计)算法计算水深信号的混合波中直达波与反射波的分离点,结合具体的测量方法算出水深值。数据监控中心是整个监测系统中很重要的组成部分,24小时连续运行,是管理人员与现场监测终端沟通的桥梁。数据监控中心分为数据通信、上位机数据处理和WEB应用程序这三个部分。数据通信部分主要是设计可靠的无线通信协议,编写完善的数据收发程序,通过VHF无线传输模块将下位机传送来的原始水深数据存储到上位机数据处理服务器中。上位机数据处理部分主要是分析处理水深数据的原始值,并在上位机前台显示通过测量方法计算出的实际水深值。WEB服务部分主要是搭建服务器平台,建立数据库和编写Web应用程序,使得客户端在任何能接入Internet的地方可以随时浏览到港口航道的现场状态。监测系统在学校港池模拟港口现场条件,在接收发射换能器之间的多种不同距离和不同高度的条件下,进行一系列的实验测试,利用水深算法对实验数据进行分析处理计算各个测试条件下的水深值,并进行实验结果的验证比较和误差分析,验证了系统方案的性能指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 航道水深适时监测系统概述
• 1.3 课题的技术应用背景
• 1.3.1 水深信号的传播特性
• 1.3.2 时延估计技术的发展和研究现状
• 1.3.3 数据监控技术现状
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 水深信号处理算法研究
• 2.1 测量原理
• 2.2 时延估计
• 2.2.1 时延估计的基本概念
• 2.2.2 时延估计的基本类型
• 2.2.3 时延估计的评价标准
• 2.2.4 时延估计算法
• 2.3 水深算法理论基础
• 2.3.1 基本的最小二乘法
• 2.3.2 算法理论分析
• 2.3.3 水深数据模型
• 2.3.4 最小二乘估计法则
• 2.4 水深信号分离点的检测算法
• 2.5 本章小结
• 第3章 数据监控中心的设计
• 3.1 数据监控中心总体设计
• 3.2 数据通信
• 3.2.1 VHF无线传输模块介绍
• 3.2.2 数据收发通信协议
• 3.3 上位机数据处理
• 3.3.1 数据的存储
• 3.3.2 数据的前台显示
• 3.4 WEB应用程序
• 3.4.1 搭建服务器平台
• 3.4.2 建立数据库
• 3.5 本章小结
• 第4章 软件设计与实现
• 4.1 水深算法的软件实现
• 4.1.1 混合编程方法选择
• 4.1.2 算法的编程实现
• 4.2 数据通信软件实现
• 4.2.1 通信协议程序流程图
• 4.2.2 CRC数据校验说明
• 4.3 WEB应用程序的软件实现
• 4.3.1 WEB应用程序的设计
• 4.3.2 WEB应用程序实现的功能
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验结果及误差分析
• 5.1 监测系统实验方案
• 5.2 发射与接收信号特性
• 5.3 实验结果
• 5.4 误差分析
• 5.4.1 理论分析
• 5.4.2 实验数据分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历