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論文中文名稱:應用適應性濾波器及透地雷達量測河川通水面積 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Adaptive Filter and Ground Penetrating Radar for River Cross-Section [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
畢業學年度:99
出版年度:100
中文姓名:張峻瑋
英文姓名:Chun-Wei Chang
研究生學號:98428079
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2011-07-11
論文頁數:105
指導教授中文名:陳彥璋
指導教授英文名:Yen-Chang Chen
口試委員中文名:楊翰宗;衛強;王逸民
中文關鍵詞:透地雷達Adaptive FilterLMSRLS河川通水斷面
英文關鍵詞:GPRAdaptive FilteLMSRLSRivercross-section area
論文中文摘要:河川斷面為水質水理分析的重要參數之一,以往傳統河川斷面量測需耗費大量人力、時間,準確性不高且不連續。『透地雷達』 (Ground Penetrating Radar,簡稱GPR) 大量運用於大地工程與地質探測上,於地下水位深度、斷層位置探勘、堤防掏空等檢測項目中之成果相當豐碩。
本研究選定北勢溪渡南橋為實驗區域,建立透地雷達現地量測與資料分析之流程,運用適應性演算中噪聲消除系統分析透地雷達振幅,有效將透地雷達施測時產生持續水平訊號和雜訊干擾濾除,建立一適應性濾波器參數。其中適應性演算採用最小均方演算法(Least-Mean-Square﹐LMS)及遞回最小均方演算法(Recursive Least- Square﹐RLS);將透地雷達電磁波振幅特性建立透地雷達資料判釋之機制,運用EMD(經驗模態分析法)改善底床資料上下振盪情形,分析後可得連續之河川通水斷面,改進以往人為判釋之缺點。並與傳統鉛錘法所得之結果進行差異性比較,比較之結果顯示兩種方法最後分析之差異約於15%以內,證明透地雷達可運用於實際之河川通水斷面量測。
論文英文摘要:The river cross-section is water management and quality one of the analytical important parameters. Traditional river cross section measurement needed to expend a great deal of manpower and time , the accuracy wasn't high and not continuous. GPR used in a large number of engineering and geological exploration on Earth, In water table depth, fault location mining, embankments and other test items in the hollowed out very fruitful results.
The study area is Beishih basin Du nan bridge.The study establishes the ground-penetrating radar measurement and data analysis process. Use of adaptive noise cancellation analysis electromagnetic wave, effective when the GPR test facilities and generate sustained horizontal of signal noise and interference filter, establishes a adaptive filter parameter. Adaptive algorithm which uses Least-Mean-Square (LMS) and Recursive Least- Square (RLS); Characteristics of the GPR electromagnetic wave to establish sub-release mechanism, use Empirical Mode Decomposition (EMD) to improve the situation seabed information up and down oscillation, Available continuously river cross-section. Compare the differences of river cross section area with the traditional method, the river cross section area differences about 15% that’s a compare result. It’s proved using ground-penetrating radar can application for river cross section measurement.
論文目次:目錄
摘要 I
ABSTRECT II
致謝 IV
目錄 V
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 論文架構簡介 2
第二章 文獻回顧 4
2.1 透地雷達發展 4
2.2 透地雷達於河川斷面量測相關研究 4
2.3 濾波器研究 10
第三章 透地雷達相關理論 12
3.1 透地雷達基本原理 12
3.2 待測介質參數 14
3.2.1導電度 14
3.2.2相對介電常數 15
3.2.3衰減度 16
3.3透地雷達解析度與穿透能力 17
3.4透地雷達施測參數設定 19
3.4.1天線頻率 19
3.4.2延遲時間範圍 19
3.4.3訊號延遲 20
3.4.4疊加次數 20
3.4.5訊號增益 21
3.4.6探測介質 21
第四章 研究理論與判釋機制 23
4.1 適應性濾波理論 23
4.1.1適應性噪音消除原理 24
4.2 適應性數位濾波器設計 25
4.2.1最小均方演算法(Least-Mean-Square , LMS) 27
4.2.2遞迴最小平方演算法(Recursive-Least-Square , RLS) 30
4.3 EMPIRICAL MODE DECOMPOSITION,EMD 35
4.3.1 經驗模態分解法條件 40
4.4 透地雷達濾波處理 42
第五章 透地雷達實測河川斷面 50
5.1 研究區域 50
5.2 試驗儀器介紹 51
5.2.1 透地雷達系統 52
5.2.2貨車及懸吊系統 55
5.2.3 測深捲揚器 55
5.2.4 測深錘 56
5.3 實驗方法與流程 57
5.3.1透地雷達量測法 57
5.3.2 鉛錘法 60
第六章 分析結果與比較 62
6.1 試驗結果 62
6.2 演算法分析驗證 95
6.3 各試驗場次分析方法與鉛錘法之差異性 97
6.3.1 水深差異性分析 97
6.3.2通水面積差異性分析 98
第七章 結論與建議 101
7.1 結論 101
7.2 建議 102
參考文獻 103




表目錄
表3.1 天線頻率對應(RADER,2005) 19
表3.2 不同天線對應之延遲時間範圍(RADER,2005) 20
表3.3 常見介質電性參數(裴廣智,2000) 22
表4.1 停止準則(吳順德2009) 40
表4.2 包絡線方法(吳順德2009) 41
表6. 1 各分析方法與鉛錘法之通水面積差異性比較 99


圖目錄
圖1.1 研究流程 3
圖2.1 岩質底床探測的透地雷達影像 4
圖2.2 透地雷達量測結果(Kurt et al.,1996) 5
圖2.3 鉛錘法與GPR之比較(Kurt et al.,1996) 5
圖2.4 1997與1998年洪水過後之比較(Joseph,2000) 6
圖2.5 圖層分析結果思源橋 (陳彥霖,2009) 7
圖2.6 鉛錘法與GPR法斷面比較示意圖思源橋 (陳彥霖,2009) 7
圖2.7 渡南橋影像處理 (吳忠樺,2010) 8
圖2.8 分析結果與鉛錘法之比較 (吳忠樺,2010) 8
圖2.9 EMD底床數值分析法與鉛錘法之比較 (吳忠樺,2010) 9
圖2.10分析結果與鉛錘法之比較 (吳忠樺,2010) 9
圖2.11 EMD底床數值分析法與鉛錘法之比較 (吳忠樺,2010) 10
圖2.12 Winner filter structure (B. Farhang-Boroujeny 1998) 11
圖3.1 電磁波傳播方式示意(陳裕典,2007) 12
圖3.2 導電度與衰減關係(Costa,2006) 15
圖3.3 頻率與衰減常數關係(裴廣智,2000) 17
圖3.4 夫瑞奈帶 18
圖3.5 不正確之訊號延遲位置(RADER,2005) 20
圖3.6 訊號增益過大(RADER,2005) 21
圖3.7 訊號增益過小(RADER,2005) 21
圖4.1 適應性濾波器基本架構 23
圖4.2 適應性噪音消除原理 24
圖4.3 IIR系統架構(B. Farhang-Boroujeny 1998) 25
圖4.4 RIR系統架構 26
圖4.5 LMS演算架構 29
圖4.6 RLS演算架構 34
圖4.7 EMD轉換流程圖(Rao, A.R.; Hsu, E.-C. 2008) 36
圖4.8 上下包絡線示意(a)原始資料(b)局部極值示意圖(c)上下包絡線(d)上下包絡線均值(Donghoh Kim and Hee-Seok Oh 2009) 39
圖4.9 透地雷達分析河川底床位置之分析流程圖 42
圖4.10 FIR濾波器頻率響應和相位響應 43
圖4.11 介質交界面電磁波振幅反應示意圖 44
圖4.12 電磁波振幅數值 44
圖4.13 透地雷達原始影像 45
圖4.14 MATLAB 演算過程 46
圖4.15 透地雷達振幅資料 46
圖4.16 參考噪聲資料 46
圖4.17 期望值 47
圖4.18 適應性運算 47
圖4.19 振幅法分析結果 48
圖4.20 EMD底床數值分析法之結果 49
圖5.1 河川斷面施測位置 50
圖5.2 渡南橋 51
圖5.3 Zond-12e控制主機 52
圖5.4 天線組 53
圖5.5 電腦設備 54
圖5.6 透地雷達配件 54
圖5.7 貨車及懸吊系統 55
圖5.8 測深捲揚器 56
圖5.9 各磅數測深錘 (10~30磅) 56
圖5.10 河水導電度量測 58
圖5.11 天線懸吊 59
圖5.12 河川斷面透地雷達施測 59
圖5.13 以捲揚器量測河川斷面 61
圖6.1 渡南橋試驗一原始影像 62
圖6.2 渡南橋實驗一LMS演算分析結果 63
圖6.3 渡南橋實驗一LMS演算和鉛錘法比較 63
圖6.4 渡南橋實驗一EMD分析結果 63
圖6.5 渡南橋實驗一RLS演算分析結果 64
圖6.6 渡南橋實驗一RLS演算和鉛錘法比較 64
圖6.7 渡南橋實驗一EMD分析結果 64
圖6.8 渡南橋試驗二原始影像 65
圖6.9 渡南橋實驗二LMS演算分析結果 66
圖6.10 渡南橋實驗二LMS演算和鉛錘法比較 66
圖6.11 渡南橋實驗二EMD分析結果 66
圖6.12 渡南橋實驗二RLS演算分析結果 67
圖6.13 渡南橋實驗二RLS演算和鉛錘法比較 67
圖6.14 渡南橋實驗二EMD分析結果 67
圖6.15 渡南橋試驗三原始影像 68
圖6.16 渡南橋實驗三LMS演算分析結果 69
圖6.17 渡南橋實驗三LMS演算和鉛錘法比較 69
圖6.18 渡南橋實驗三EMD分析結果 69
圖6.19 渡南橋實驗三RLS演算分析結果 70
圖6.20 渡南橋實驗三RLS演算和鉛錘法比較 70
圖6.21 渡南橋實驗三EMD分析結果 70
圖6.22 渡南橋試驗四原始影像 71
圖6.23 渡南橋實驗四LMS演算分析結果 71
圖6.24 渡南橋實驗四LMS演算和鉛錘法比較 72
圖6.25 渡南橋實驗四EMD分析結果 72
圖6.26 渡南橋實驗四RLS演算分析結果 73
圖6.27 渡南橋實驗四RLS演算和鉛錘法比較 73
圖6.28 渡南橋實驗四EMD分析結果 73
圖6.29 渡南橋試驗五原始影像 74
圖6.30 渡南橋實驗五LMS演算分析結果 74
圖6.31 渡南橋實驗五LMS演算和鉛錘法比較 75
圖6.32 渡南橋實驗五EMD分析結果 75
圖6.33 渡南橋實驗五RLS演算分析結果 76
圖6.34 渡南橋實驗五RLS演算和鉛錘法比較 76
圖6.35 渡南橋實驗五EMD分析結果 76
圖6.36 渡南橋試驗六原始影像 77
圖6.37 渡南橋實驗六LMS演算分析結果 77
圖6.38 渡南橋實驗六LMS演算和鉛錘法比較 78
圖6.39 渡南橋實驗六EMD分析結果 78
圖6.40 渡南橋實驗六RLS演算分析結果 79
圖6.41 渡南橋實驗六RLS演算和鉛錘法比較 79
圖6.42 渡南橋實驗六EMD分析結果 79
圖6.43 渡南橋試驗七原始影像 80
圖6.44 渡南橋實驗七LMS演算分析結果 80
圖6.45 渡南橋實驗七LMS演算和鉛錘法比較 81
圖6.46 渡南橋實驗七EMD分析結果 81
圖6.47 渡南橋實驗七RLS演算分析結果 81
圖6.48 渡南橋實驗七RLS演算和鉛錘法比較 82
圖6.49 渡南橋實驗七EMD分析結果 82
圖6.50 渡南橋試驗八原始影像 83
圖6.51 渡南橋實驗八LMS演算分析結果 83
圖6.52 渡南橋實驗八LMS演算和鉛錘法比較 84
圖6.53 渡南橋實驗八EMD分析結果 84
圖6.54 渡南橋實驗八RLS演算分析結果 84
圖6.55 渡南橋實驗八RLS演算和鉛錘法比較 85
圖6.56 渡南橋實驗八EMD分析結果 85
圖6.57 渡南橋試驗九原始影像 86
圖6.58 渡南橋實驗九LMS演算分析結果 86
圖6.59 渡南橋實驗九LMS演算和鉛錘法比較 87
圖6.60 渡南橋實驗九EMD分析結果 87
圖6.61 渡南橋實驗九RLS演算分析結果 87
圖6.62 渡南橋實驗九RLS演算和鉛錘法比較 88
圖6.63 渡南橋實驗九EMD分析結果 88
圖6.64 渡南橋試驗十原始影像 89
圖6.65 渡南橋實驗十LMS演算分析結果 89
圖6.66 渡南橋實驗十LMS演算和鉛錘法比較 89
圖6.67 渡南橋實驗十EMD分析結果 90
圖6.68 渡南橋實驗十RLS演算分析結果 90
圖6.69 渡南橋實驗十RLS演算和鉛錘法比較 91
圖6.70 渡南橋實驗十EMD分析結果 91
圖6.71 渡南橋試驗十一原始影像 92
圖6.72 渡南橋實驗十一LMS演算分析結果 92
圖6.73 渡南橋實驗十一LMS演算和鉛錘法比較 93
圖6.74 渡南橋實驗十一EMD分析結果 93
圖6.75 渡南橋實驗十一RLS演算分析結果 93
圖6.76 渡南橋實驗十一RLS演算和鉛錘法比較 94
圖6.77 渡南橋實驗十一EMD分析結果 94
圖6.78 LMS演算法 95
圖6.79 RLS演算法 96
圖6.80 LMS演算法與鉛錘法之水深差異性 97
圖6.81 RLS演算法與鉛錘法之水深差異性 98
圖6.82 LMS演算法與鉛錘法之面積差異性 100
圖6.83 RLS演算法與鉛錘法之面積差異性 100
論文參考文獻:李有豐,黃鋼,曾文青,(2001),「HHT應用於RC橋柱環境微振動量測之研究」,中華民國第二十五屆全國力學會議。
李永勳編譯,電磁學第二版,艾迪生維斯理朗文及偉明圖書有限公司。
吳順德,陳思予,陳虹伯(2009),「經驗模態分解法之研究趨勢探討」,台北科技大學學報第四十二之一期。
陳崗熒(2001),「以HHT 時頻分析法剖析赤道區電離層F 層電漿空腔結構」,碩士論文,國立中央大學太空科學研究所。
陳煒傑(2007),「透地雷達電磁波數位編碼於混凝土內含不同鋼筋尺寸判別之研究」,碩士論文,中華大學土木與工程資訊學系。
陳彥霖(2009),「以透地雷達量測河川斷面 」,國立台北科技大學土木與防災研究所。
吳忠樺(2010),「運用透地雷達量測河川通水斷面」,國立台北科技大學土木與防災研究所。
陳建忠(2000),「時變衰減通道下直序分碼多重接取通訊系統之低複雜度適應性H_∞等化器」國立中山大學電機工程學系研究所。
侯瑞祥(2003),「轉換域限制性濾波演算法作時間延遲估測之研究」,國立中山大學電機工程學系研究所。
吳奇峰(2004),「適應性分碼多工用戶檢測」,國立中山大學通訊工程研究所。
逸奇科技公司,Visual Signal 參考手冊(version 1.2)。
楊武智編譯,感測器與數位信號處理,全華科技圖書股份有限公司。
裴廣智、謝智正、白耀東(2000),「透地雷達檢測技術在土木工程應用」,核研季刊第三十五期,pp.20~26。
Huang, N E. Z., Shen, S. R. Long, M. C. Wu, H. - H. Shih, Q. Zheng, N. -C. Yen, C. - C. Tung and H. H. Liu, “The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for Nonlinear and Non-stationary Time Series Analysis, ”Proc. R. Sec. London A, The Royal Society, pp. 903-995(1998).
Donghoh Kim and Hee-Seok Oh. EMD: A Package for Empirical Mode Decomposition and Hilbert Spectrum. The R Journal, 1(1):40-46, May 2009.
Chieh-Hou Yang, Lun-Tao Tong, Chun-Yi Yu, (2006). “Integrating GPR and RIP Methods for Water Surface Detection of Geological Structures,” TAO, Vol.17, No.2, 391-404.
Chieh-Hou Yang, Jiunn-I You, Chiu-Pin Lin, (2002). “Delineating lake bottom structure by resistivity image profiling on water surface.” TAO, Vol.13,No.2, 39-52.
Delaney, A.J. and Arcone, S.A., (1992). “Sub-Bottom Profiling: a Comparison ofShort-Pulse Radar and Acoustic Data,” Geological Survey of Finland, Special Paper l6, pp. 149-157.
Joseph R. Olimpio, (2000). “Use of a Ground-Penetrating Radar System to Detect Pre- and Post-Flood Scour at Selected Bridge Sites in New Hampshire, 1996-98,” Water-Resources Investigations Report 00-4035.
J. E. Costa, R. T. Cheng, F. P. Haeni, N. Melcher, K. R. Spicer, E. Hayes, W. Plant, K. Hayes, C. Teague, and D. Barrick, (2006). “Use of radars to monitor stream discharge by noncontact methods,” Water Resources Research, Vol.42.
Kurt R. Spicer and John E. and Gary Placzek, (1996). “Measure stream-channel cross sections with Ground-Penetrating Radar,” 6th FISC Vol.2 V-91.
RADER System, Inc., (2005). “Prism2 User’s Manual,” Riga.
S.E. RANTZ(1982) , “Measurement and Computation of Streamflow:Volume 1. Measurement of Stage and Discharge, ” USGS
S. Shihab’, W. Al-Nuaimy(2005), “Radius Estimation for Cylindrical Objects Detected by Ground Penetrating Radar”, Subsurface Sensing Technologies and Applications, Vol.6, No.2.
B.Farhang-Boroujeny(1998)”Adaptive Filter Theory and Applications”JOHN WILEY & SONS
A.Gersho, “Adaptive Filtering with Binary Reinforcement,”IEEE Trans. On Info. Thy., IT-30, pp.191-199, March 1984
R. GROVER BROWN, ”Random Signal Analysis And Kalman Filtering” Electrical Engineering Department Iowa State University.
E.Eweda, “Convergence Analysis and Design of anAdaptive Filter with Finite-Bit Power-of-Two QuantizedError,” IEEE Trans. Circuts and systems, vol. 39, No.2, Feb1992
論文全文使用權限:同意授權於2021-01-01起公開