[發明專利]一種海洋環境監測數據壓縮感知在線重構方法

有效

• 申請號: 202011409107.3
• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN112579687B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 芮國勝;劉歌;田文飚;崔田田
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍航空大學
• 主分類號: G06F16/26
• 分類號: G06F16/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種海洋環境監測數據在線壓縮感知重構方法。針對傳統壓縮感知方法處理時變海洋監測數據重構性能不高的問題，提出一種基于低秩正則化序貫壓縮感知的海洋測數據在線重構方法。該發明首先將數據在空間結構上的低秩性加入到最優化算法中，利用滑動窗口機制，結合已有歷史數據構建低秩正則項，并根據前后時刻重疊區域數據相等的條件建立數據保真項，最終基于交替方向乘子法對重構優化算法進行求解。本發明能夠實現時變海洋監測數據壓縮感知重構性能的提升。

技術領域

本發明涉及壓縮感知技術，具體地，本發明設計一種海洋環境監測數據的在線壓縮感知重構方法，屬于壓縮感知重構技術領域。

背景技術

海洋是人類賴以生存和發展的基礎，隨著生產力的發展和社會文明的進步，世界經濟和科技、軍事實力得以提升，人類社會對資源需求也日益增長，由于海洋占地球表面的71％，資源十分豐富且未被充分開發，因此各國紛紛將視線由陸地轉向海洋，開發和利用海洋的熱情空前高漲，各國之間海權之爭也愈演愈烈。在這一背景下，海洋環境的監測問題開始得到廣泛的關注。由于衛星遙感以及雷達等手段獲取的數據尺度范圍太大，分辨率過低，因此傳感器網絡稱為獲取海洋環境監測數據的主要手段。

現實場景中，在某一海洋監測區域內通過部署多個傳感器構成傳感器網絡，對同一對象進行持續的感知，獲取多種環境監測數據通過某種通信手段傳送到監測中心，以支撐不同類型的感知應用。與陸地環境相比，海洋環境在深度和廣度上都具有優勢，但這一優勢對海上傳感器網絡的部署提出了更高的要求：一方面海洋范圍過大，導致部署節點數量太多使得建設成本過高；另一方面如何將采集到的大量信息及時有效傳輸也受到節點能耗以及通信成本的限制。而且傳感器網絡自身具有傳感器數量較多、拓撲結構動態變化、傳感器節點易損壞、存儲能力有限等特性。這就決定了傳感器網絡在運行過程中必須找到一種合理的方案解決能源有限與數據傳輸之間的矛盾。

近年來，壓縮感知(Compressed Sensing，CS)為解決上述問題提供一個新的思路。根據CS理論，如果一個信號在某個域中是稀疏的，只要滿足一定的條件，就可以根據很少的原始數據的線性測量來重建它。Bajwa等人首次提出將CS理論引入到傳感器網絡的高效數據采集問題中，自此之后，學者們開始對CS理論在傳感器網絡中的應用進行大量研究。目前已有算法可以大大降低通信能耗開銷，實現數據的采集傳輸和應用。但是這些算法都沒有將傳感器網絡數據收集過程中動態變化產生的相關性考慮在內。傳感器數據流的順序壓縮采集和漸進重構，然而在傳感器時間序列數據收集過程中，只考慮了時域流信號前后時刻的動態演化關系，沒有考慮多傳感器之間的空間結構相關性，重構性能有待提高。

發明內容

本發明的目的是設計一種基于壓縮感知的海洋環境監測數據在線重構方法，旨在解決傳統壓縮感知方法處理時變海洋監測數據重構性能不高的問題。首先設計滑動窗口機制，結合已有歷史數據，充分利用矩陣的低秩性，構建低秩矩陣；然后根據重疊區域數據相等的規律，增加了重疊區域誤差校正項；最后在解決重構優化算法過程中設計了一種基于交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers,ADMM)的求解方法。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為——一種海洋環境監測數據的壓縮感知在線重構方法，包括以下步驟：

步驟1，輸入t時刻的觀測數據y_t，(t-w):(t-1)原始數據X_(t-w):(t-1)及其觀測數據Y_(t-w):(t-1)，構建觀測數據矩陣Y(w-1)，其中W表示滑動窗口的大??；

步驟2，建立壓縮感知在線重構模型如下：

s.t.S(t)＝Ψ(t)^-1vec(X(t)),Z(t)＝X(t)