基于宽频超声测距的无线水下地形测绘系统设计与实现

发布时间：2017-09-01 21:26

  本文关键词：基于宽频超声测距的无线水下地形测绘系统设计与实现

  更多相关文章： 超声测距 时延估计 水下地形测绘 曲面重构

【摘要】：近年来,随着陆地资源的逐步匮乏,探索和开发海洋资源成为当前的热点话题,水下地形测绘技术也随之得到了快速的发展,并广泛应用于海底矿藏勘探、湖泊生态保护、水库抗洪防汛、城市水道清淤等领域。水下地形测绘中的技术难点在于利用超声测距采集地形表面高度坐标,以及根据获取到的三维离散点坐标数据进行地形表面重构和三维展示。传统的地形测绘系统中,超声测距模块多采用全硬件电路方式搭建,构造复杂、精度低、移动性差,且地形重构模块对于复杂三维地形曲面的还原度和细节表现力不够理想。为了改进现有水下地形测绘系统在功能和性能方面的不足,本文设计并实现了一种基于宽频超声测距的无线水下地形测绘系统,具有构造简单、高精度、可移动、智能化、用户友好的特点。本文主要研究工作如下:1.基于软件无线电的思想,用软件代替硬件实现主体功能,除了前端探测模块使用简单的硬件电路搭建,信号产生、信号处理、信号分析、结果显示等模块全部采用软件方法实现,简化了系统的硬件结构。系统前端探测模块与后台分析处理模块实时分离,通过无线传输方式进行互连,有效扩展了系统的使用范围,实现了移动探测和远程控制。2.探测信号使用线性调频信号取代单频脉冲信号,增大了信号带宽,提高了系统的抗干扰能力。且系统对于不同水深和探测范围的多种应用场景具有普遍适用性,可以根据探测场景需要设置相应的探测信号参数。3.根据超声测距采集的水下地形表面三维坐标数据,采用散乱点云三角剖分算法,构建三维三角化网格逼近地形表面,仿真实现了基于三维离散数据点的曲面模型重构与三维动态展示。4.在室内模拟环境下对系统进行了水下超声测距实验和水下地形测绘实验,测试了系统的水下测距功能和地形重构功能,实验结果表明系统实现了根据超声测距采集到的三维离散点坐标数据还原出水下地形曲面的三维特征,具有较高的精度和稳定性,验证了系统设计方案的可行性。
【关键词】：超声测距 时延估计 水下地形测绘 曲面重构
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P229;TB559
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 课题研究背景与研究意义11-12
• 1.2 关键技术的国内外研究现状12-15
• 1.3 论文主要内容与组织结构15-16
• 第二章 超声测距原理与系统研究16-27
• 2.1 超声及其特性16-18
• 2.2 超声测距原理与方法18-23
• 2.2.1 超声测距原理18-19
• 2.2.2 超声测距方法及其比较19-23
• 2.3 超声测距系统研究23-26
• 2.3.1 信号发射电路24
• 2.3.2 超声换能器的类型和参数24-25
• 2.3.3 信号处理电路25
• 2.3.4 信号分析与显示电路25-26
• 2.3.5 系统改进方案26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 宽频超声无线水下地形测绘系统设计27-39
• 3.1 系统工作原理与总体设计27-29
• 3.2 系统硬件部分设计29-33
• 3.2.1 探测模块29-31
• 3.2.2 信号转换模块31-32
• 3.2.3 无线传输模块32-33
• 3.3 系统软件部分设计33-38
• 3.3.1 信号产生与信号分析模块33-36
• 3.3.2 曲面重构与地形展示模块36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 三维散乱点云的曲面重构39-58
• 4.1 曲面重构原理及算法概述39-43
• 4.1.1 曲面重构原理39-41
• 4.1.2 曲面重构算法概述41-43
• 4.2 三角网格构造43-52
• 4.2.1 Voronoi图与Delaunay三角化44-47
• 4.2.2 二维平面三角剖分算法47-49
• 4.2.3 三维空间三角剖分49-50
• 4.2.4 三角网格优化准则50-52
• 4.3 基于三维散乱点云的三角剖分52-57
• 4.3.1 算法描述53-54
• 4.3.2 编程实现54-55
• 4.3.3 实验结果验证与分析55-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 系统功能测试与实验结果分析58-69
• 5.1 水下超声测距实验58-64
• 5.1.1 实验场景设计58-60
• 5.1.2 实验过程60-61
• 5.1.3 声速修正实验61-63
• 5.1.4 性能测试实验63-64
• 5.2 水下地形测绘实验64-67
• 5.2.1 实验场景设计64-65
• 5.2.2 实验过程65-66
• 5.2.3 实验结果分析66-67
• 5.3 改进方案67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 总结与展望69-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果75-76
• 致谢76-78
• 附件78

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本文编号：774403