压缩感知理论及其应用前景

压缩感知理论是近年来提出的一种基于信号稀疏性的新兴采样理论。与通常的数据采样定理不同,该理论提出可以用远远少于传统采样定理所需的采样点数或观测点数恢复出原信号或图像。本文主要阐述了压缩感知中信号的稀疏表示、测量矩阵的设计及信号的重构算法等基本理论,论述了该理论的广阔应用前景。     

压缩感知理论及重构算法性能分析

压缩感知是近年来信号处理领域新诞生的一种新的信号处理理论,文中详述了压缩感知的基本理论,主要围绕着信号的稀疏表示、观测矩阵和信号重构算法三个方面对压缩感知进行基本介绍,并对几种典型的信号重构算法(OMP、GPRS、SLO)进行仿真分析。     

压缩成像技术研究进展

以奈奎斯特采样定理为准则,高速信号采样再压缩的传统成像方式存在明显缺陷。基于压缩感知理论的压缩成像技术则突破了传统成像系统设计理念,利用硬件实现目标图像的非自适应线性投影,从而达到利用较少数目探测器获取高精度目标图像的目的。详细阐述了压缩感知理论框架及其关键技术问题,并就目前压缩成像系统的原理和难点问题进行了深入的探讨和分析。     

压缩感知回顾与展望

压缩感知是建立在矩阵分析、统计概率论、拓扑几何、优化与运筹学、泛函分析等基础上的一种全新的信息获取与处理的理论框架.它基于信号的可压缩性,通过低维空间、低分辨率、欠Nyquist采样数据的非相关观测来实现高维信号的感知.压缩感知不仅让我们重新审视线性问题,而且丰富了关于信号恢复的优化策略,极大的促进了数学理论和工程应用...     

压缩感知技术综述

压缩感知(Compressed Sensing或Compressed Sampling,Cs)理论突破了经典的奈奎斯特采样定理的极限,提出一种全新的采样理论,通过开发信号的稀疏特性,在远小于Nyquist采样率的条件下,用随机采样获取信号的离散样本,然后通过数值最优化问题精确重构出原始信号.本文综述了CS基本原理,介绍了信号稀疏表示、测量矩阵的设计和信号的重构算法等内容以及CS理论研究现状和在相关领域的应用.     

压缩感知观测矩阵的优化算法

为克服基于压缩感知的图像重构算法存在的不足,文中对观测矩阵设计方法进行了改进,并根据稀疏信号的特点对观测矩阵加权,令奇异值分解得到的对角阵对角线上的元素全部为1。通过仿真实验表明,将改进后的矩阵作为压缩感知算法的观测矩阵,在大压缩比时PSNR值约提高(1~2 dB),在小压缩比较时PSNR值提高了(8~9 dB)。     

压缩感知理论简介

压缩感知(CS)理论是在已知信号具有稀疏性或可压缩性的条件下.对信号数据进行采集、编解码的新理论.主要阐述了CS理论框架以及信号稀疏表示、CS编解码模型,并举例说明基于压缩感知理论的编解码理论在一维信号、二维图像处理上的应用.     

基于压缩感知的信号重构研究

按照Nyquist采样定理,信号的采样率必须为信号最高频率的2倍以上,这会产生大量的冗余数据。压缩感知是一种新兴的采样理论,对于可以稀疏表示的信号,它能够以远低于Nyquist采样速率对信号进行采样,并通过优化算法实现重构。介绍了压缩感知的基本理论,并分别选取时域稀疏、频域稀疏和图像信号进行了仿真分析,实验结果显示,压缩感知理论能较好的重构原始信号。     

压缩感知雷达成像技术综述

压缩感知理论突破了传统Nyquist采样定理的限制,它基于信号的稀疏性、测量矩阵的随机性和非线性优化算法完成对信号的压缩采样和重构。这种全新的信号处理理论为克服传统雷达固有缺陷,解决传统高分辨雷达面临的高采样率、大数据量和实时处理困难等问题提供了可能。本文概述了压缩感知基本理论,详细讨论了基于压缩感知的雷达成像技术,对压缩感知在高分辨雷达成像领域中的研究现状进行了归纳和分析,应用对象包括SAR/ISAR、穿墙雷达、MIMO雷达、探地雷达等,充分体现了压缩感知在简化雷达硬件设计、弥补雷达数据缺陷、改善雷达成像质量等方面的巨大潜力,明确了研究中存在的问题,阐述了有待进一步研究的方向,并总结了压缩感知用于雷达成像的优势和缺陷。      

基于压缩感知理论的雷达成像技术与应用研究进展

压缩感知理论基于信号稀疏性,将对信号采样转换为对信息自由度的采样,可大大降低采样率。而将压缩感知理论应用于雷达成像时有望在以下几个方面得到改善：增强成像性能,简化雷达硬件设计,缩短数据获取时间,减少数据量和传输量等。该文从压缩感知的稀疏性,压缩采样,无模糊重建3个关键步骤与成像雷达有机结合的角度,对近年来基于压缩感知理论的雷达成像技术研究现状进行系统综述,重点论述场景稀疏性与成像关系, 压缩采样方法(包括硬件)设计,场景图像快速高精度重建以及成像系统体制应用等方面,最后探讨了压缩感知理论应用尚需解决的问题和进一步发展方向。     

基于压缩感知的月球探测器着陆图像超分辨重建

嫦娥工程二期的任务要求中,嫦娥3号的安全降落是最为关键的任务。因此,提出了一种基于压缩感知的超分辨率图像重建方法,根据经过模糊处理并加入噪声的低分辨率图像重建原始的高分辨率图像,实现了月球探测器着陆图像的超分辨率重建。算法采用局部Sparse-Land模型,从美国阿波罗计划获取的月球影像、嫦娥1、2号卫星影像和嫦娥工程二期试验中获取的月球探测器图像中提取了大量训练图块,采用K-SVD算法完成了高、低分辨率过完备字典Al和Ah的学习,通过求解优化问题,获得待处理低分辨率图块的稀疏表示,并将表示系数用于Ah以生成对应的高分辨率图块。最后,运用最小二乘算法,得到满足重构约束的高分辨率图像。实验验证了算法的有效性,表明其在视觉效果及PSNR指标上均优于插值方法和Yang的方法。     

基于压缩感知的双基SAR二维高分辨成像算法

双基地合成孔径雷达(SAR)由于收发分置,具有广阔的应用前景,但常规的频域算法不仅面临距离史双根号问题,而且数据采集受Nyquist理论限制,数据量大。近年来提出的压缩感知(CS)理论指出,在一定条件下可以从很少的采样点中以很大的概率重建原始未知稀疏信号。本文将CS理论与双基地SAR模型相结合,提出一种基于CS的双基地SAR二维高分辨成像算法。该算法将二维随机降采样回波数据作为测量值,根据发射信号构造距离向测量矩阵,通过方位向多普勒相位因子构建方位向测量矩阵,利用CS恢复算法对目标进行了分维重建。仿真结果与性能分析表明,该算法在严重欠采样情况下仍能完好的重建原始目标,而且对噪声具有一定的鲁棒性和免疫性。与传统双基SAR成像算法相比,该算法具有更高的分辨率,成像结果峰值更加尖锐,峰值旁瓣比(PLSR)和积分旁瓣比(ILSR)都较低,而且采样率低、数据量少,具有一定的有效性和实用性。      

基于感知域测量值的自适应压缩采样方法

现有的自适应采样方法需要在采集端获得原始信号,这在实际的蒸发波导相关气象要素压缩感知过程中不易实现。针对这一问题,提出了一种以测量值数据特征为依据的采样率自适应设定方法。该方法以能量表征各信号块的重要性,以观测值能量近似估计原信号块能量,根据感知域中测量值的能量变化自适应地为各块设定采样数目。理论分析和实验表明,该方法的重构性能优于传统自适应方法,相同采样率下可获得更高的重构信噪比。     

基于图像块整体稀疏性与流形投影的压缩成像

如何利用自然图像本身固有的先验知识来提高重构图像质量是压缩成像系统的一个关键问题.本文在压缩成像系统中融合图像块整体稀疏性与流形特性,提出了一种高质量压缩成像算法.在该算法中,图像块由字典稀疏表示,同时还可由一组与图像块位于同一低维流形上的近邻点线性逼近,从而使稀疏重建信号分布在原始信号所处的流形附近.另外本文充分利用了图像中任意位置处图像块的稀疏性先验知识,使得压缩成像算法在低采样率下能重构出质量较高的图像.     

宽带协方差矩阵的多字典联合稀疏表示DOA估计

为了直接处理相干宽带信号和提高其波达方向估计的分辨率,提出一种基于宽带协方差矩阵的多字典联合稀疏分解估计方法。首先,利用多个频率点处的过完备基对其协方差矩阵进行稀疏表示,然后形成多个字典的多测量矢量稀疏表示模型,最后通过多字典稀疏表示系数的联合稀疏约束以求解稀疏反问题的形式实现宽带信号的波达方向估计。对于均匀线阵结构,多字典协方差矩阵稀疏表示系数的联合稀疏性使其不再受空域采样条件的限制,既可通过增大阵元间距提高分辨率,而又无空域混叠现象。通过对噪声功率的预估计抑制噪声,提高了波达方向估计的稳健性。另外,该方法与信号协方差矩阵的秩无关,对相干信号和不相干信号都适用。仿真实验验证了该方法的有效性。      

基于非局部相似性和交替迭代优化算法的图像压缩感知

压缩感知理论突破了信号带宽对奈奎斯特采样定理的限制,并且实现了在数据采样的同时进行压缩。目前压缩感知系统通常利用图像在某个变换域具有稀疏性的先验知识,从少量观测值中重构原始图像。本文利用图像像素的邻域结构信息及图像子块的相似性,将图像的非局部相似性作为先验知识运用到压缩感知图像重构中。结合图像的非局部相似性及其在变换域的稀疏性先验知识,提出了基于非局部相似性和交替迭代优化算法的图像压缩感知重构算法,该算法利用迭代阈值法和非局部全变差来交替迭代求解变换域的稀疏性优化问题和非局部相似性的优化问题。实验结果表明,本文算法可以有效提高图像重构的视觉效果和峰值信噪比。      

基于转置采样的宽带频谱感知技术

随着通信技术的不断发展,信号带宽的增加和信号复杂度的提升使得频谱感知,尤其是宽带频谱感知面临精确度和硬件实现等诸多挑战。为改善宽带频谱感知中感知精度低、 采样资源需求大的问题,提出了一种新的基于转置采样的宽带频谱感知架构———转置调制宽带转换器(transposed modulated wideband converter,TMWC)。为重构原始信号频谱, TMWC架构以信号矩阵边界的非0元素作为目标,基于转置采样模型,通过固定采样间隔的测量矩阵和估计支撑集恢复原始频谱。TMWC只需要一部分的信号频谱用于恢复频谱支撑,从而降低了信号矩阵稀疏度,实现了理论最小采样率采样。仿真结果表明,在低信噪比和低采样率的情况下,TMWC架构对多频带信号具有较好的感知性能。对于不同稀疏度的信号,TMWC架构具有比传统宽带频谱感知架构更强的感知性能。     

图像压缩感知中常用测量矩阵的性能比较

测量矩阵是压缩感知编码端不可或缺的一部分,测量矩阵的好坏直接影响到重构出信号的质量好坏。目前常用的测量矩阵有很多,但很少有文献将该矩阵进行系统地比较。对目前常用的测量矩阵做综合分析,比较它们在压缩感知编解码过程中重构出的信号在视觉效果、峰值信噪比、重构时间等方面的区别。另外,由于使用分块的方式对图像进行编解码,因此也分析比较了不同的分块大小对重构的影响。