基于尾波包络特征提取的超声波海底沉积物分类识别研究

论文摘要

随着世界经济和科学技术的飞速发展,人类对矿产资源的需求量与日俱增,由于陆地资源的日趋枯竭,人们开始把目光转向海洋,深海钴结壳成为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。面对国际社会对海洋资源争夺的形势,为维护我国的海洋权益,开辟我国新的矿产资源来源,本文在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,对深海海底沉积物的分类与识别做了相关研究。本文借鉴地震学中尾波的定义,提出了回波信号的尾波这一概念,并提出了一种基于小波变换提取尾波包络特征进行海底沉积物分类识别的方法。为了建立海底沉积物的分类模型,以Folk海底沉积物分类方法为依据,配比建立了14种模拟自然界中海底沉积物的实物样本,对这14种样本进行超声波回波采样,在互相关法的理论基础上,截取了采样信号中的尾波信号,再通过离散小波变换提取了尾波信号的24维包络特征,最后运用基于Fisher准则的最佳鉴别矢量法抽取了13维目标识别特征矢量,并以此为基础建立了海底沉积物的分类模型。为了验证模型的正确性,采集了两种真实的湘江河床沉积物,对采集样本进行筛分,通过Folk方法判断其实际类别;然后通过模型对其进行分类,得到的分类结果与实际类别一致,模型的正确识别率在80%左右,由此证明了本文所得模型的正确性。本文的研究为深海海底沉积物的分类与识别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了有效的技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 海底沉积物探测主要方法介绍
• 1.2.1 直接取样法
• 1.2.2 间接取样法
• 1.3 声学方法进行海底沉积物分类识别研究的发展简史
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 提取尾波包络进行海底沉积物分类的可行性及其优势
• 1.5 课题研究的目的和意义
• 1.6 论文研究的内容、技术路线
• 1.6.1 论文研究的内容
• 1.6.2 课题研究的技术路线
• 1.7 本章小结
• 第二章 基于小波变换提取尾波包络特征
• 2.1 小波变换理论
• 2.1.1 小波变换的基本概念
• 2.1.2 连续小波变换（CWT）
• 2.1.3 离散小波变换（DWT）
• 2.2 尾波信号的截取
• 2.2.1 互相关法确定回波信号起点
• 2.2.2 尾波信号的截取
• 2.3 基于希尔伯特（Hilbert）变换的尾波包络特征提取
• 2.3.1 HT包络提取法的原理
• 2.3.2 HT法的缺点
• 2.4 基于小波变换的尾波包络特征提取
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于尾波包络特征的海底沉积物分类模型建立
• 3.1 海底沉积物模拟实物样本的建立
• 3.1.1 海底沉积物的粒级划分
• 3.1.2 海底沉积物的分类方法
• 3.1.3 14种海底沉积物模拟实物样本的建立
• 3.2 超声波回波信号采集
• 3.2.1 超声波回波信号采集系统
• 3.2.2 采集系统软件设计
• 3.2.3 超声波回波信号的采集
• 3.3 尾波信号截取
• 3.3.1 采样信号的数字滤波
• 3.3.2 互相关法确定回波起点
• 3.3.3 尾波信号截取
• 3.4 尾波包络特征提取
• 3.5 海底沉积物分类模型的建立
• 3.5.1 基于Fisher准则的最佳鉴别矢量法
• 3.5.2 模型建立
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验与验证
• 4.1 湘江河床沉积物采样
• 4.2 回波采样与尾波包络特征提取
• 4.3 分类
• 4.4 验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录一
• 附录二
• 致谢
• 攻读学位期间主要科研成果及参与的工作