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        基于壓縮感知的管道漏磁檢測數(shù)據(jù)稀疏化方法

        2019-05-08 03:16:58唐建華張永政劉曉媛
        中國科技縱橫 2019年6期
        關(guān)鍵詞:壓縮感知

        唐建華 張永政 劉曉媛

        摘 要:針對漏磁數(shù)據(jù)的稀疏化過程,觀測值數(shù)量與漏磁數(shù)據(jù)稀疏性對重構(gòu)準確率的影響,設(shè)計了基于壓縮感知的管道漏磁檢測數(shù)據(jù)稀疏化方法。通過實驗對比由不同觀測矩陣進行漏磁數(shù)據(jù)稀疏化的性能,總結(jié)出數(shù)據(jù)稀疏度和觀測值的數(shù)量對重構(gòu)準確率的影響,選出不同類型漏磁數(shù)據(jù)適用的觀測矩陣,最終設(shè)計出基于壓縮感知的管道漏磁檢測數(shù)據(jù)稀疏化方法。

        關(guān)鍵詞:壓縮感知;觀測矩陣;稀疏化方法

        中圖分類號:V241.4 文獻標識碼:A 文章編號:1671-2064(2019)06-0066-02

        0 引言

        本文主要基于壓縮感知的管道漏磁檢測數(shù)據(jù)的稀疏化方法研究,文章分析了幾種常見的觀測矩陣,并對漏磁數(shù)據(jù)實施稀疏采集,通過實驗選擇了合適的觀測矩陣。最終通過運用壓縮感知理論設(shè)計了漏磁數(shù)據(jù)的稀疏化方法,該方法簡單清晰,易于實現(xiàn),能夠有效節(jié)省計算資源,壓縮速度更快。

        1 不同觀測矩陣下的稀疏化處理

        1.1 信號的稀疏性

        通常自然界中的信號不是完全稀疏的,而是在某種變換域下,將其看成近似稀疏,也可以說該信號是可壓縮的[1]。理論上任何信號都是可以壓縮的,前提是找到與信號特征相對應(yīng)的稀疏表示空間,這樣就可以進行稀疏化處理,實現(xiàn)信號的稀疏化。同樣的漏磁檢測數(shù)據(jù)也是一種信號,可以找到一種稀疏變換基,使其成為可壓縮的。

        稀疏表示[2]指漏磁信號在某個變換域下是稀疏的,也就是其用該域下基向量來表示時許多系數(shù)為零或者接近零,另外基向量之間是正交的。稀疏變換基不能自適應(yīng),需要根據(jù)信號的不同情況,選擇最適合的。

        1.2 觀測矩陣

        在壓縮感知方法中,隨機高斯觀測矩陣[3]的使用最為廣泛,其構(gòu)造方法為:設(shè)計一個大小為M×N的矩陣,使得Φ中的每一個元素都獨立服從均值零,方差為1/M的高斯分布。該矩陣的隨機性很強,當(dāng)其觀測值的數(shù)量時,有極大的可能會滿足RIP準則。

        隨機伯努利觀測矩陣[4]和隨機高斯觀測矩陣的性質(zhì)類似,其構(gòu)造方法為:設(shè)計一個大小為M×N的矩陣,使得Φ中的每一個元素都獨立服從伯努利分布,與隨機高斯觀測矩陣相同,隨機伯努利觀測矩陣同樣有較強的隨機性,它的觀測值數(shù)量時,會有極大概率滿足RIP準則(c為極小的常數(shù))。

        哈達瑪(Hadamard)矩陣是由+1和-1元素構(gòu)成的。部分哈達瑪矩陣的構(gòu)造方法為:首先生成一個N×N大小的哈達瑪矩陣,之后隨機從其中選取M行向量,構(gòu)成一個大小為M×N的觀測矩陣。因為哈達瑪矩陣為正交矩陣,從中選取的矩陣同樣有非相關(guān)性和部分正交性。因此,同其他確定性觀測矩陣相比,該矩陣在重構(gòu)時所需的觀測值數(shù)量M較少,同等條件下,重構(gòu)出的信號效果更好。但是哈達瑪矩陣的維數(shù)N必須滿足2的n次冪,這限制了其使用的領(lǐng)域。

        部分正交矩陣同樣應(yīng)用到了觀測矩陣中,前文的部分哈達瑪矩陣便是部分正交矩陣的特例。部分正交矩陣的構(gòu)造方法為:首先生成一個N×N大小的正交矩陣U,然后從矩陣U中隨機選取M行向量,最后對M×N大小矩陣的列向量進行歸一化處理,即可得到觀測矩陣。

        稀疏隨機觀測矩陣的構(gòu)造方法如下:設(shè)計一個大小為M×N的矩陣Φ,所有元素置0,并且M

        托普利茲和循環(huán)矩陣的構(gòu)造方法為:首先生成一個隨機向量u=(u1,u2,…,uN)∈RN,接著用生成的隨機向量Φ,經(jīng)過M(M

        1.3 觀測矩陣稀疏化處理過程

        采用壓縮感知的方法過程中,通過觀測矩陣獲得觀測值和信號重構(gòu)起到了重要的作用,也是壓縮感知過程的主要內(nèi)容。因此,觀測矩陣是壓縮感知中極為重要的部分,如果信號重構(gòu)的算法不變,它性能的好壞直接影響到重構(gòu)信號與原始信號間差值的大小,即觀測矩陣直接影響著信號重構(gòu)的質(zhì)量。

        稀疏度K值一定時,觀測值數(shù)量M的值越大,信號能夠被精確重構(gòu)的概率則越大。當(dāng)觀測值的數(shù)量增加到一定程度,大部分稀疏度的信號能夠被完全重構(gòu)。取一段10米長的管道漏磁檢測數(shù)據(jù),通過以下幾種不同的觀測矩陣對其進行稀疏化處理,單次處理的數(shù)據(jù)長度為N=256,觀測值的數(shù)量M=75,如此循環(huán),最終得到的稀疏化處理后的漏磁數(shù)據(jù)。隨機高斯觀測矩陣,壓縮率達到30.08%;隨機伯努利觀測矩陣,壓縮比達到29.35%;部分哈達瑪觀測矩陣,壓縮比達到29.31%;部分傅里葉觀測矩陣,壓縮比達到33.27%;稀疏隨機觀測矩陣,壓縮比達到31.22%;托普利茲和循環(huán)觀測矩陣,壓縮率達到29.46%。

        2 觀測矩陣稀疏化效果比較分析

        2.1 不同觀測矩陣重構(gòu)準確率比較

        為了準確選合適的觀測矩陣,根據(jù)管道漏磁數(shù)據(jù)的特點,選擇長度為N=256,稀疏度K=64的信號,采用不同類型的觀測矩陣,進行稀疏化處理,觀測值的數(shù)量為M∈{25,50,75,100,125,150,175,200,225},利用正交匹配追蹤算法進行重構(gòu),結(jié)果如圖1所示。

        從圖1中可以看出,對同一信號,觀測值的數(shù)量M越大,信號能夠被重構(gòu)的概率越大,當(dāng)取值達到一定大小時,信號可以完全重構(gòu)出來。這六種觀測矩陣中,哈達瑪矩陣重構(gòu)出的效果最好,部分正交矩陣最差。隨機高斯矩陣、伯努利矩陣和稀疏隨機矩陣的性能相似。

        2.2 不同觀測矩陣重構(gòu)性能指標比較

        為了驗證不同觀測矩陣對漏磁數(shù)據(jù)進行稀疏化處理的效果,需要對稀疏化處理后的數(shù)據(jù)進行重構(gòu),通過重構(gòu)性能指標來表明觀測矩陣進行稀疏化處理的能力大小。大部分觀測矩陣都是隨機矩陣,也存在不足之處,因為在試驗中具有不確定性,確定觀測矩陣的性能需要大量實驗以消除不確定性。高斯隨機矩陣對大部分信號都滿足不相關(guān)性,在稀疏采集的過程中需要的觀測值要少一些,但是需要大量的計算和存儲空間。主要選擇的依據(jù)為感知性能、適用性、計算難度和硬件實現(xiàn)難度。

        采用長度為N=256,取稀疏度為K=16的漏磁信號,選取觀測值數(shù)量M=50,采用不同類型的觀測矩陣,進行稀疏化處理,并用OMP算法進行數(shù)據(jù)重構(gòu),最終得到的不同觀測矩陣的重構(gòu)結(jié)果性能如表1所示。

        從表1中可以看發(fā)現(xiàn)采用不同觀測矩陣進行稀疏化處理時,得到的性能統(tǒng)計結(jié)果相差不是很大。其中,部分哈達瑪矩陣的能量恢復(fù)系數(shù)最高,且均方誤差很小。隨機高斯矩陣的信噪比最高,在對漏磁數(shù)據(jù)進行稀疏化處理時,對噪聲數(shù)據(jù)有一定濾過作用。

        3 結(jié)語

        本文詳細介紹了壓縮感知理論中的稀疏變換矩陣和觀測矩陣,分析了漏磁數(shù)據(jù)的稀疏性并比較出適合的稀疏變換矩陣,設(shè)計了基于壓縮感知的管道漏磁檢測數(shù)據(jù)稀疏化方法。通過實驗總結(jié)分析出這幾種觀測矩陣分別適用于帶有不同特征的漏磁數(shù)據(jù)比較了其重構(gòu)信號的準確程度,以便于更好地進行漏磁數(shù)據(jù)的稀疏化處理。

        參考文獻

        [1] Ono S, Yamada I. A hierarchical convex optimization approach for high fidelity solution selection in image recovery[C]. Signal & Information Processing Association Summit and Conference. IEEE,2012:1-6.

        [2] Zibulevsky M, Elad M. L1-L2 optimization in signal and image processing[J]. Signal Processing Magazine IEEE,2010,27(3):76-88.

        [3] 王強,張培林,王懷光.壓縮感知中測量矩陣構(gòu)造綜述[J].計算機應(yīng)用,2017,37(1):188-196.

        [4] 王金銘,葉時平,徐振宇,等.低存儲化壓縮感知[J].中國圖象圖形學(xué)報,2018,21(7):835-844.

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