基于三维点云图的FDTD室内场强计算方法研究
发布时间：2021-01-08 12:45
随着移动通信技术的飞速发展,室内场景中无线网络设备的市场规模日益扩大,用户对室内信号的覆盖质量的要求也越来越高。通过对室内信号场强进行计算研究室内信号的场强分布情况,对于分析室内信号的传播特性和信号覆盖情况有着重要意义。时域有限差分（Finite Difference Time Domain,FDTD）方法是一种计算电磁场的数值求解方法,应用广泛,能够满足实际应用的需求。计算室内环境的场强分布,需要获取室内环境的几何信息,作为场强计算区域的边界。传统的几何信息获取方法占用大量的人力和时间开销、建模效率低,而计算机视觉技术的飞速发展,为基于三维点云图进行获取几何信息提供了方便。本文对基于三维点云图的FDTD室内场强计算方法进行深入研究,首先分析了场强计算方法和几何信息获取方法的国内外研究现状,其次对FDTD的基础理论和点云的获取方法进行了研究。此外,本文针对基于三维点云图获取室内几何信息和FDTD场强计算方法主要完成了以下研究工作:（1）针对人工测量方法获取室内环境的几何信息过程中工作量大、建模耗时过长的问题,本文提出了一种基于三维点云图的室内环境几何信息获取方法。该方法通过随机采样一致...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
点云边
?乱徊骄褪嵌缘阍票呓绲募负涡畔⒔?屑扑悖?馐嵌?点云进行平滑处理、点云平面分割和点云边界提取的最终目的。根据3.2节中研究的点云几何信息计算方法，对点云平面提取的边界点云数据的频数分布情况进行研究。分别计算点云长度、宽度和高度边界点云三维坐标的频数分布直方图，直方图中每段边界最高频数对应的坐标区间可以看作点云边界的实际坐标。由于点云边界的提取结果存在着不连续的边界，分段对边界点云对应的频数直方图进行了计算，与x轴平行边界分为7段，与y轴平行边界分为4段。点云长度、宽度数据对应的频数直方图如图3-5所示。(a)点云长度边界的频数直方图(b)点云长度边界的频数直方图图3-5点云长度和宽度边界的频数直方图由图3-5可以看出，每段边界点云数据的x坐标和y坐标的频数分布图都存在十分明显的峰值，取频数最高的区间，求此区间内坐标值平均值作为相应边界线的坐标值。去除在实际环境中不存在的边界数据，对与走廊的两侧和中间的宽度、点云中间直走廊的长度和走廊右侧的长度相对应的五个边界计算几何信息，并对这五个边界按照序号从1到5进行编号。将得到的几何信息计算结果作为测量值，将实验环境中的实际数据作为标准值，将两者差值的绝对值作为几何信息的误差，标准值、测量值和误差如表3-1所示。分析表格表3-1可以发现，与实验环境的几何信息标准值相比，基于三维点云图获取的实验环境的走廊的长度信息和宽度信息的误差皆小于0.5m，若不考虑由于原始点云图不连续等原因造成几何信息较大的5号边界的误差，其它4个边界的误差最大为0.1529m，最小为0.0104m，平均误差为0.08425m。获取点云的长度和宽度后，对点云的高度进行计算。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-27-表3-1由点云获取的几何信息几何信息边界标准值/m测量值/m误差/m13.383.36960.010422.532.48090.049132.742.61540.1246449.9150.06290.1529514.3313.83750.4925对点云高度进行计算得到的点云数据频数分布直方图如图3-6所示，频数直方图的频数值分布较均匀，频数的峰值并不明显，根据频数直方图无法提取具体的数值。这是由于实验环境复杂，点云数据在高度方向上缺失造成提取的点云高度边界不连续，且提取了较多不存在的边界，无法计算高度值。图3-6点云的高度频数直方图上述实验研究结果，验证了本文提出的基于三维点云图的几何信息获取方法能够从稠密三维点云图中提取到室内环境的长度和宽度，而对高度的获取取决于实际室内环境是否复杂，以及点云数据的边界提取是否连续且与实际环境符合。可见，点云几何信息的获取精度很大程度直接取决于点云边界提取的精度。总之，本文提出的几何信息获取方法能够从室内环境的点云中获取几何信息，在本文实验环境下获取的几何信息的平均误差约为0.08m，根据室内环境的规模不同，对于获取方式一样的稠密三维点云图，获取的几何信息误差值也会不同。在实验验证中所用的点云图是通过视觉相机获得的，分析仿真结果所得到的误差与本文所选择的实验环境的点云的数据量和几何特征直接相关，该方法在其它环境中基于点云获取的几何信息获取误差本文不作研究和分析。完成了第一阶段的室内环境的几何信息获取工作，便可以进行第二阶段的室内传播环境建模，利用FDTD方法计算其中的场强分布，下一章将对室内环境建模和室内场强计算进行研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈无线电波传播中受到空间环境的影响[J]. 李姝晖. 通讯世界. 2020(01)
[2]室外至室内电波传播特性研究[J]. 张昕,程敏,李建中. 移动通信. 2017(16)
[3]GPS配合全站仪在机场边坡变形监测中的应用[J]. 许文学,羊远新,李锋,钱清玉,薛宗建,申瑾,赵伟冬. 测绘地理信息. 2012(06)
本文编号：2964619
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
点云边
?乱徊骄褪嵌缘阍票呓绲募负涡畔⒔?屑扑悖?馐嵌?点云进行平滑处理、点云平面分割和点云边界提取的最终目的。根据3.2节中研究的点云几何信息计算方法，对点云平面提取的边界点云数据的频数分布情况进行研究。分别计算点云长度、宽度和高度边界点云三维坐标的频数分布直方图，直方图中每段边界最高频数对应的坐标区间可以看作点云边界的实际坐标。由于点云边界的提取结果存在着不连续的边界，分段对边界点云对应的频数直方图进行了计算，与x轴平行边界分为7段，与y轴平行边界分为4段。点云长度、宽度数据对应的频数直方图如图3-5所示。(a)点云长度边界的频数直方图(b)点云长度边界的频数直方图图3-5点云长度和宽度边界的频数直方图由图3-5可以看出，每段边界点云数据的x坐标和y坐标的频数分布图都存在十分明显的峰值，取频数最高的区间，求此区间内坐标值平均值作为相应边界线的坐标值。去除在实际环境中不存在的边界数据，对与走廊的两侧和中间的宽度、点云中间直走廊的长度和走廊右侧的长度相对应的五个边界计算几何信息，并对这五个边界按照序号从1到5进行编号。将得到的几何信息计算结果作为测量值，将实验环境中的实际数据作为标准值，将两者差值的绝对值作为几何信息的误差，标准值、测量值和误差如表3-1所示。分析表格表3-1可以发现，与实验环境的几何信息标准值相比，基于三维点云图获取的实验环境的走廊的长度信息和宽度信息的误差皆小于0.5m，若不考虑由于原始点云图不连续等原因造成几何信息较大的5号边界的误差，其它4个边界的误差最大为0.1529m，最小为0.0104m，平均误差为0.08425m。获取点云的长度和宽度后，对点云的高度进行计算。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-27-表3-1由点云获取的几何信息几何信息边界标准值/m测量值/m误差/m13.383.36960.010422.532.48090.049132.742.61540.1246449.9150.06290.1529514.3313.83750.4925对点云高度进行计算得到的点云数据频数分布直方图如图3-6所示，频数直方图的频数值分布较均匀，频数的峰值并不明显，根据频数直方图无法提取具体的数值。这是由于实验环境复杂，点云数据在高度方向上缺失造成提取的点云高度边界不连续，且提取了较多不存在的边界，无法计算高度值。图3-6点云的高度频数直方图上述实验研究结果，验证了本文提出的基于三维点云图的几何信息获取方法能够从稠密三维点云图中提取到室内环境的长度和宽度，而对高度的获取取决于实际室内环境是否复杂，以及点云数据的边界提取是否连续且与实际环境符合。可见，点云几何信息的获取精度很大程度直接取决于点云边界提取的精度。总之，本文提出的几何信息获取方法能够从室内环境的点云中获取几何信息，在本文实验环境下获取的几何信息的平均误差约为0.08m，根据室内环境的规模不同，对于获取方式一样的稠密三维点云图，获取的几何信息误差值也会不同。在实验验证中所用的点云图是通过视觉相机获得的，分析仿真结果所得到的误差与本文所选择的实验环境的点云的数据量和几何特征直接相关，该方法在其它环境中基于点云获取的几何信息获取误差本文不作研究和分析。完成了第一阶段的室内环境的几何信息获取工作，便可以进行第二阶段的室内传播环境建模，利用FDTD方法计算其中的场强分布，下一章将对室内环境建模和室内场强计算进行研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈无线电波传播中受到空间环境的影响[J]. 李姝晖. 通讯世界. 2020(01)
[2]室外至室内电波传播特性研究[J]. 张昕,程敏,李建中. 移动通信. 2017(16)
[3]GPS配合全站仪在机场边坡变形监测中的应用[J]. 许文学,羊远新,李锋,钱清玉,薛宗建,申瑾,赵伟冬. 测绘地理信息. 2012(06)
本文编号：2964619
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