基于过完备字典的体域网压缩感知心电重构

针对体域网远程监护中心对重构的心电信号（Electrocardiogram,ECG）精度要求高和体域网（Body sensor network,BSN）低功耗问题,提出基于过完备字典的体域网压缩感知心电重构方法. 该方法利用压缩感知理论,在传感节点端利用随机二进制矩阵对心电信号进行观测,观测值被传送至远程监护中心后,再利用基于K-SVD算法训练得到的过完备字典和块稀疏贝叶斯学习重构算法对心电信号进行重构. 仿真结果表明,当心电信号压缩率在70%～95%时,基于K-SVD过完备字典比基于离散余弦变换基的压缩感知心电重构信噪比高出5～22dB. 该方法具有信号重构精度高、功耗低和易于硬件实现的优点.     

基于分离字典构造的快速压缩感知重构算法

针对当前压缩感知重构算法存在重构质量偏低、重构时间过长等问题,提出了基于矩阵流形分离字典构造的分块压缩感知重构算法。首先,该算法基于矩阵流形模型训练出可分离稀疏表示矩阵,并对其正交化;其次,构造随机测量矩阵,并利用矩阵运算将其与得到的稀疏表示矩阵进行结合,进而构造出一组分离字典;最后,将该字典用于信号压缩感知中,并通过线性运算实现信号的快速重构。实验结果表明,与当前主流的压缩感知重构算法相比,所提算法在重构精度以及重构时间上都具有一定提升,并在对实时性要求高的领域中具有很好的应用价值。     

语音压缩感知研究进展与展望

压缩感知技术,特别是语音压缩感知技术逐渐成为信号处理领域的研究热点。当前的语音压缩感知关键技术主要包括适合语音信号的稀疏分解矩阵构造,观测矩阵的选择和重构算法的设计。稀疏分解矩阵的重要代表是正交基、基于语音特性的线性预测矩阵和过完备字典。观测矩阵方面主要采用随机观测矩阵分析语音压缩感知性能;重构算法方面重点研究当观测序列或语音信号本身含有噪声时鲁棒的语音压缩感知重构算法。本文对上述语音压缩感知的3大关键技术进行了介绍和对比分析,并对语音压缩感知的应用进行了总结,最后对未来可能的研究热点进行了展望。     

自适应压缩感知的语音压缩重构算法研究

根据传统语音信号的处理过程和语音信号的特征,提出了利用自适应冗余字典KSVD算法、自适应观测矩阵和SAMP重构算法的压缩重构方法,通过仿真分析,并与普通压缩感知对比平均帧重构信噪比、相对误差,验证了压缩感知自适应算法的优越性。     

一种基于压缩感知的超声阵列全矩阵数据重构方法

针对传统全矩阵数据采集数据量大、采样时长随阵元个数增加的问题,提出了一种基于压缩感知的超声阵列全矩阵数据重构方法.根据多阵元等幅同步有限次激励下采集的超声信号与全矩阵数据的压缩采样关系,利用多阵元等幅同步有限次激励下采集到的少量超声信号进行超声阵列全矩阵数据重构,并将重构数据用于缺陷的全聚焦成像.基于提出的数据压缩采集模式,开展了块状试件中缺陷超声相控阵检测实验,并分析了稀疏变换基、激励阵元个数、激励次数等因素对检测结果的影响规律.实验结果表明,提出的方法可以在75％压缩率下实现超声全矩阵数据的重构,重构数据与实际全矩阵数据的均方根误差约为6％,可用于缺陷的全聚焦成像.     

过完备字典稀疏表示下的RAMP重构算法

压缩感知理论将采样理论与压缩理论合二为一,成为最近几年来的研究热点。主要依据图像的稀疏性或是可压缩性的特点,使用K-均值奇异值分解（K-Means Singular Value Decomposition,K-SVD）算法训练获得过完备字典,使用高斯随机矩阵作为测量矩阵,最后通过正则化自适应匹配追踪算法作为压缩感知重构算法,提出了K-SVD过完备字典的正则化自适应匹配追踪算法（KSVD Regularized Adaptive Matching Pursuit,KSVD-RAMP）。通过对重构图像的峰值信噪比、重构时间、相对误差等客观评价指标以及主观视觉上对所提算法以及传统的贪婪算法做对比。实验结果表明,该算法比基于离散小波稀疏表示的RAMP算法的峰值信噪比提升了2~6 dB。因此,该算法重构出的图像不管在视觉效果上,还是在客观评价指标上都有一定的改善。     

针对未知稀疏信号的压缩自相关检测算法

针对未知的宽频带稀疏信号检测问题,提出了一种直接基于非重构采样值 的压缩自相关检测算法。首先利用压缩感知技术以远低于奈奎斯特采样速率获取信号,在自 相关矩阵检测信号理论的基础上,利用压缩感知中传感矩阵的严格等距特性,推导出基于统 计分布的信号稀疏系数自相关检测算法,从理论上给出了判决门限的选取和虚警概率之间的 关系,并进行了算法复杂度分析。由于无需重构原始信号,该算法直接利用少量的压缩测量 值进行检测,可以有效地提高检测过程的时效性。仿真表明在较低的信噪比时,该算法对未 知信号仍有良好的检测性能。     

基于块稀疏贝叶斯学习压缩感知的心音重构

为提高体域网远程传输心音信号的重构精度、运行时间及处理数据量,对一种基于块稀疏贝叶斯学习的压缩感知重构心音方法进行研究。在传感节点端对心音信号做分块处理,进行离散余弦变换字典训练;通过稀疏二进制矩阵对心音信号进行压缩,并传送至终端;利用块稀疏贝叶斯学习对终端压缩的心音重构,将重构结果与传统的正交匹配追踪结果比较。实验结果表明,块稀疏贝叶斯学习算法比正交匹配追踪算法重构的结构相似度高0.2-0.3,在信噪比方面高10db-30db,所提方法具有重构精度高,处理心音数据量大,运行时间快的显著优势。     

基于压缩感知的遥感成像稀疏重构性能分析

压缩感知是一种新型的信息论，打破了传统的Shannon-Nyquist采样定理，能够以少量数据完成信号采样。稀疏重构是压缩感知由理论到实际的关键环节，为了将压缩感知有效地应用于遥感成像领域，研究了稀疏重构对遥感成像过程的影响。针对稀疏重构理论模型，分析了重构误差的成因；同时，针对典型的凸优化类算法和贪婪类算法，利用峰值信噪比指标对遥感图像重构误差进行评价。在仿真实验中，定量考察遥感图像在不同压缩采样率、不同重构算法下的稀疏重构性能。结果表明，稀疏重构算法能够成功重构遥感图像，各算法在不同压缩采样率下均表现出了较好的重构质量，整体上能够满足遥感成像应用，验证了压缩感知稀疏重构方法在遥感成像中应用的可行性。     

基于非下采样轮廓波的MRI图像的压缩感知重构

压缩感知是一种全新的信息采集与处理的理论框架,借助信号内在的稀疏性或可压缩性,可从小规模的线性、非自适应的测量值中通过非线性优化的方法精确重构信号。压缩感知以远低于奈奎斯特频率的采样频率,在压缩成像系统、医学图像处理等领域有着广阔的应用前景。提出算法采用非下采样轮廓波变换稀疏表达原始图像,通过傅立叶矩阵进行测量,最后采用迭代软阈值算法实现医学MRI图像的压缩感知重构。以峰值信噪比、互信息、伪影功率为评价指标,比较小波变换、频率局部化轮廓波变换以及非下采样轮廓波变换三者的压缩感知重构效果。实验结果表明,无论采样率设置如何变化,提出算法在峰值信噪比、原始信息保留比例以及重构精度等方面均具有明显优势,在快速医学成像领域具有广阔的应用前景。     

基于VMD的相控阵超声信号降噪方法研究

针对超声检测在钢板板边和轮对可能存在漏检的问题,采用相控阵超声检测技术对钢板板边裂纹缺陷和轮对孔缺陷进行成像检测;针对钢板和轮对缺陷散射信号信噪比低的问题,提出了一种参数优化的变分模态分解（VMD）算法,避免了人为主观影响,通过选择对应频带的本征模态函数（IMF）分量表征原始信号特征,并通过比较VMD分解后各本征模态函数（IMF）分量与原始信号的信噪比与均方根误差来评价（VMD）算法的效果,最终实现缺陷成像检测。实验结果表明：与原始信号相比,该方法处理后的缺陷信号具有较好的保真度,信噪比与平滑度,均方根误差降低,不易出现模态混叠现象,有良好的分解效果。处理后成像结果更为清晰,缺陷的大小、位置及形状都能够完整展示出来,可以实现孔缺陷和裂纹缺陷的定位检测。     

基于超声相控阵的角焊缝缺陷信号重构方法研究

在对接管角焊缝进行超声检测的过程中，由于检测的工件结构复杂并且仪器设备本身会受到电信号干扰，所以检测得到的A扫信号存在噪声，在检测图像中会出现“伪像”，从而造成检测困难。如果想要提高检测图像的质量，对于A扫信号的除噪尤为重要，所以提出小波去噪和经验模态分解相结合的角焊缝缺陷信号重构方法。首先分析接管角焊缝结构特点，进行相控阵检测试验，得到缺陷检测数据；然后着重分析了裂纹与未熔合缺陷信号，完成对其的经验模态分解与重构；最后通过对原始信号进行小波去噪及经验模态分解与重构，从而达到了比传统的算法更高的信噪比与更低的均方误差，说明本算法有更好的去噪效果，更有利于超声回波信号的分析。     

聚乙烯管焊接接头相控阵超声检测的优化设计

在管道工程应用中,由于良好的耐腐蚀性和韧性,聚乙烯(PE)管与其他材料相比具有显着优势,已广泛地应用在核电、油气输送领域;PE管焊接过程中,焊接参数、人员操作和环境等因素会影响聚乙烯管道的焊接情况,可能致使焊接接头内部形成缺陷,影响管道安全运行,而相控阵超声检测技术能够实现聚乙烯管道焊接接头内部结构的无损检测及评估;因此开展PE管焊接接头的相控阵超声实际检测工作,研究了聚乙烯材料的声衰减规律及声频散效应,优化了焊接接头的超声相控阵检测工艺,基于CIVA仿真软件实现了聚乙烯管道相控阵超声检测的声场模拟和缺陷仿真,通过研究检测参数及声学参量变化对检测结果的影响,获得了PE管焊接接头的最优检测工艺;通过加工带有典型缺陷的聚乙烯热熔对接接头试样,对前期基于仿真结果设计的检测工艺以及针对焊接接头相控阵检测研发的楔形耦合组件进行可靠性测试和工艺试验;研究结果为PE管接头缺陷的超声相控阵检测提供了工艺设计的理论支持和可靠的研究方法。     

电磁超声扭转波检测钢管缺陷的实验研究

扭转模态T(0,1)超声导波具有无频散的特点,便于信号分析与处理。在分析电磁超声扭转波传感器换能原理的基础上,搭建了电磁超声扭转波钢管缺陷检测实验平台,采用350 kHz的T(0,1)模态导波,在Ф25 mm×2800 mm壁厚2.5 mm的钢管上检测出20%壁厚损失的周向平底刻槽与Ф5 mm通孔缺陷,检测信号的信噪比较高。实验结果表明:这种电磁超声扭转波方法可以应用于钢管缺陷检测。     

基于双稀疏度K-SVD字典学习的遥感影像超分辨率重建

为了通过软件方式增强遥感影像的空间分辨率,提出了一种基于双稀疏度K-SVD字典学习的遥感影像超分辨率重建算法。基于稀疏表示理论,利用K-SVD字典学习算法求解低分辨率字典及其稀疏系数,将稀疏系数传递至高分辨率字典学习空间,形成高、低分辨率字典对,重建得到高分辨率遥感影像,并在字典学习和稀疏重建两个阶段设置了不同的稀疏度。实验分别采用TM5影像、资源三号影像以及USC_SIPI图像库中的遥感影像进行重建,结果表明,不论重建影像有无噪声,所提算法的峰值信噪比和结构相似指标均高于Bicubic法以及Zeyde的算法。K-SVD和双稀疏度参数的引入,不仅减少了字典学习时间,且具有高的空间分辨率提升能力。     

核稀疏表示和原子相关度的图像重建

目的 针对目前基于稀疏表示的超分辨率重建算法中对字典原子的选取效率低、图像重建效果欠佳的问题,本文提出了核方法与一种高效的字典原子相关度筛选方法相融合的图像超分辨重建算法,充分利用字典原子与图像的相关度,选用对重建的贡献最大的原子来提高重建的效率和效果。方法 首先,通过预处理高分辨率图像得到高、低分辨率图像样本集,再用字典学习得到高、低分辨率字典对;然后,对字典原子进行非相关处理提高字典原子的表达能力;此后,再利用低分辨率字典,引入核方法和字典原子筛选方法进行稀疏表示,设置阈值筛选高相关原子,低相关度原子对重建贡献度低,在迭代过程中耗费计算量,所以舍去低相关原子,再对普通原子进行正则化处理后加入支撑集,处理后的字典原子对于重建具有很好的表达能力;最后,利用处理后的字典原子对低分辨率图求解稀疏表示问题得到稀疏表示系数,结合高分辨率字典重建出高分辨率图像。结果 实验通过与其他学习算法对比,得到结构相似度（SSIM）、峰值信噪比（PSNR）以及重建时间的结果。实验结果表明：本文方法与对比方法相比,图像重建时间提高了22.2%;图像结构相似度提高了9.06%;峰值信噪比提高了2.30 dB。原有的基于字典学习的方法对于字典选取具有一定的盲目性,所选取的原子与重建图像相关度较低,使重建效果差,本文方法获得的字典原子可以减少稀疏表示过程的时耗,同时提高稀疏表示的精度。引入核方法,改善经典算法中对原子选取的低精度问题,经实验证明,本方法能有效提高重建算法性能。结论 实验结果表明,图像的稀疏表示过程的重建时间明显减少,重建效果也有一定的提高,并且在训练样本较少的情况下同样有良好的重建效率和效果,适合在实际中使用。     

基于稀疏表示的OFDM信号的DOA估计

针对正交频分复用（OFDM）, 宽带信号波达方向(DOA)估计问题, 提出一种基于宽带信号协方差矩阵稀疏表示的DOA估计方法。该方法是在协方差矩阵主对角线下对左下角三角形元素按各条对角线取平均值后形成一个新的向量, 然后将该向量写成冗余字典形式。在冗余字典下对信号进行稀疏性约束形成二阶锥约束优化问题, 再用工具箱SeDuMi来实现DOA估计。理论分析和仿真结果表明, 该方法在低信噪比和少快拍数下分辨率很高, 是一种有效的宽带信号DOA估计算法, 此方法优于基于高阶累积量算法和宽带聚焦算法的DOA估计方法。     

基于典型地物字典学习的遥感图像分块重构方法

遥感图像压缩的传统方法普遍存在着重构时间长、重构质量有待改进等应用难题。本文针对不同典型地物的遥感图像,采用K-SVD字典学习方法分别进行过完备字典训练。重构过程中,采用图像分块优化机制：首先对部分图像块通过多次迭代,从相应地物的过完备字典里求解出能线性表示原图像的原子;然后对其邻域内的图像块,优先使用这些原子中的一部分作为初始值求表示残差,以减少迭代次数。该方法充分利用了典型地物遥感图像的信息内容以及图像块间的相似性,在重构的图像质量、重构速度方面,与非冗余正交基构造的通用字典或未分类的学习字典相比,有一定优越性。     

基于压缩感知理论的WSNs时序信号分段压缩算法

针对压缩感知理论(CS)应用在无线传感器网络中时序信号在传输过程存在压缩比率低、通信能耗高等问题,提出了一种时序信号分段压缩算法来解决在信号稀疏度未知及高稀疏度条件下,压缩感知数据重构算法中存在的重构效率低,重构精度差,影响网络生命周期的问题.该算法将采集数据中非零元素个数作为分段依据,通过减少段内非零元素组合数量来提高信号重构精度,同时利用了压缩感知理论特性实现了对信号的高压缩率.实验结果表明,在以混沌量子免疫克隆重构(Q-CSDR)算法为重构算法、在信号盲稀疏度及稀疏度高于40的条件下,能够以大于0.4的压缩比率对信号进行压缩,其重构信号的均方误差小于0.01,能够延长网络寿命2倍左右.