基于模极大值特征提取的超声波海底沉积物分类识别研究

论文摘要

随着陆地矿产资源的日趋枯竭,大洋钴结壳成为21世纪最具有商业开采价值的战略资源,世界主要发达国家已经开始了开采研究工作。为加快我国深海钴结壳开采的步伐,在国家自然科学基金项目“深海钴结壳微地形监测技术与最佳采集深度建模研究”的资助下,本论文对海底沉积物的识别与分类做了相关研究。根据模极大值在特征提取中的应用,本文提出了一种基于模极大值的超声波回波探测沉积物分类方法。利用超声波探测不同的沉积物得到不同的回波波形,运用互相关算法找出真实回波起点,截取回波,再对回波进行小波变换,提取模极大值特征,然后将模极大值特征利用最佳鉴别矢量法进行特征压缩,最后送入分类器进行分析。在此理论基础上,根据自然界中沉积物的分类标准,由泥、砂、砾三种组分通过不同的配比组成14种不同的海底沉积物,对应14种不同的回波,得到的模极大值的特征是不同的。通过水下回波实验建立了一套沉积物的分类识别模型。运用所提出的方法,对建立的模型进行实验验证。通过采集湘江河床的沉积物作为样品,进行水下回波实验,并将样品进行筛分称重,得到真实的沉积物类型,将实验得到的分类结果与筛分得出的结果进行对比,得到正确识别率在80%左右。由此可以看出,本论文所提出的沉积物分类方法及建立的分类识别模型是正确的、可靠的。本论文的研究为海底沉积物的识别与分类提供了良好的理论基础,对海底地貌及其性质的识别具有实际意义,为我国的深海采矿事业提供有效的技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的目的及意义
• 1.2 海底沉积物分类识别研究的发展简史
• 1.2.1 国外研究进展
• 1.2.2 国内研究进展
• 1.3 模极大值在特征提取中的应用及其优势
• 1.3.1 模极大值在特征提取中的应用情况
• 1.3.2 模极大值在特征提取中的优势
• 1.4 论文研究的内容及技术路线
• 1.5 本章小结
• 第二章 模极大值特征提取理论基础
• 2.1 小波变换理论基础
• 2.1.1 小波的定义
• 2.1.2 连续小波变换、离散小波变换与二进小波变换
• 2.1.3 奇异信号的检测原理
• 2.2 模极大值理论基础
• 2.2.1 模极大值的定义与Lipschitz指数
• 2.2.2 信号奇异点的小波变换模极大值的尺度传播特性
• 2.2.3 波形模极大值点的充要条件
• 2.2.4 小波变换模极大值对小波的要求
• 2.2.5 小波基构造
• 2.3 小波变换模极大值特征提取
• 2.3.1 特征压缩
• 2.3.2 特征提取的常用方法
• 2.4 分类器的选择
• 2.5 超声波信号的相关性分析
• 2.6 采样信号的数字滤波
• 2.6.1 离散信号的数字滤波
• 2.6.2 基于窗函数法的FIR数字带通滤波器设计
• 2.7 本章小结
• 第三章 数据采集与沉积物分类识别模型建立
• 3.1 沉积物分类标准
• 3.1.1 沉积颗粒的粒度
• 3.1.2 沉积物的分类
• 3.2 信号提取装置
• 3.2.1 水池实验台简介
• 3.2.2 实验原理
• 3.2.3 超声波信号的采集
• 3.2.4 发射信号与回波信号截取
• 3.3 系统软件设计
• 3.4 超声波回波数据采集
• 3.4.1 实物配比计算
• 3.4.2 实物样本
• 3.4.3 回波数据的采集过程
• 3.5 数据分析与模型建立
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验与验证
• 4.1 取样样品
• 4.2 回波数据与特征提取
• 4.3 分类分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 今后工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间主要科研成果