1.本技术属于地震数据处理技术领域，具体涉及一种基于压缩感知的地声通信系统。
背景技术：2.随着地震勘探技术中可控震源技术的发展，基于可控震源，根据声音在介质中传输原理，进行地声通信成为了一种新的技术发展方向。在地声通信的实现中，若长时间采集并存储地震通信数据，那么采集的大量数据会导致采集端存储的数据量增大，给采集端地震数据的储存、及相关数据传输(如数据量大，以及由此导致的有效数据传输速度慢)带来了挑战。
技术实现要素：3.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本技术提供一种基于压缩感知的地声通信系统，来解决地声通信实现中采集端存储数据量大和有效数据传输慢的技术问题。
4.为实现以上目的，本技术采用如下技术方案：
5.本技术提供一种基于压缩感知的地声通信系统，该地声通信系统包括：发射端，以及具有采集系统和上位机系统的接收端；
6.所述发射端，用于生成承载传输信息的已调信号，并将所述已调信号以地震波形式发射出去；
7.所述采集系统，用于对地震波进行感测，基于压缩感知的采样方式生成采集数据，并将所述采集数据进行存储及上传；
8.所述上位机系统，用于接收所述采集数据，并基于压缩感知的恢复方式对接收的数据进行信号重构处理，以及对重构得到的信号进行解调处理，得到所述传输信息并输出。
9.可选地，所述采集系统，其被配置为：
10.基于压缩感知观测矩阵对感测的信号进行计算处理，生成所述采集数据。
11.可选地，所述压缩感知观测矩阵包括随机高斯测量矩阵。
12.可选地，所述上位机系统，其被配置为：基于正交匹配追踪算法进行所述信号重构处理。
13.可选地，所述发射端包括信号调制模块和可控震源系统；所述可控震源系统被配置为：将所述已调信号以地震波形式发射出去；
14.所述信号调制模块被配置为：采用振幅键控的调制方式生成所述已调信号；所述发射端，其被配置为：采用振幅键控的调制方式生成所述已调信号；
15.对应的，所述上位机系统，其被配置为：采用振幅键控的解调方式对所述重构得到的信号进行解调处理。
16.可选地，所述振幅键控的调制方式具体为二进制振幅键控的调制方式。
17.可选地，所述采用振幅键控的解调方式对所述重构得到的信号进行解调处理的过程中，包括：
18.针对重构后得到的信号，利用带通滤波器滤除与载波信号频率不同的噪声，得到第一信号；
19.利用低通滤波器对所述第一信号进行整形，并基于预设的信号阈值，将整形后的信号波形还原为电平信号。
20.可选地，所述采集系统基于地震检波器或地震仪实现。
21.本技术采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
22.本技术提出的地声通信系统，包括：发射端，以及具有采集系统和上位机系统的接收端；发射端，用于生成承载传输信息的已调信号，并将已调信号以地震波形式发射出去；采集系统，用于对地震波进行感测，基于压缩感知的采样方式生成采集数据，并将采集数据进行存储及上传；上位机系统，用于接收采集数据，并基于压缩感知的恢复方式对接收的数据进行信号重构处理，以及对重构得到的信号进行解调处理，得到传输信息并输出。本技术的技术方案中，基于具体的系统配置，在采集环节及采集后数据传输环节应用压缩感知技术，相比传统的采样方式，在保证恢复信号调制的信息的前提下，有效降低了采集信号的数据存储量和数据传输量，提高了有效数据的传输速度。
23.本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
24.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
25.图1为本技术一个实施例提供的基于压缩感知的地声通信系统的系统框图示意说明图；
26.图2为本技术一个实施例中地声通信系统的数据处理流程示意说明图；
27.图3为本技术一个实施例中基于正交匹配追踪算法数据恢复流程示意说明图；
28.图4为本技术技术方案的仿真验证实验中发送的信号以及幅度调制的信号的说明示意图；
29.图5为本技术技术方案的仿真验证实验中基于压缩感知的数据采集、数据重构和幅度解调的信号的说明示意图。
具体实施方式
30.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本技术所保护的范围。
31.如背景技术中所述，随着地震勘探技术中可控震源技术的发展，基于可控震源，根
据声音在介质中传输原理，进行地声通信成为了一种新的技术发展方向。在地声通信的实现中，若长时间采集并存储地震通信数据，那么采集的大量数据会导致采集端存储的数据量增大，给采集端地震数据的储存、及相关数据传输(如数据量大，以及由此导致的有效数据传输速度慢)带来了挑战。
32.压缩感知理论是近年来信号处理领域诞生的一种新的信号处理理论，压缩感知作为一个新的采样理论，其可通过开发信号的稀疏特性，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。
33.基于此，本技术提出一种基于压缩感知的地声通信系统，具体应用压缩感知技术，来解决地声通信实现中采集端存储数据量大和有效数据传输慢的技术问题。
34.如图1所示，为一实施例中，本技术提出的基于压缩感知的地声通信系统的框图说明示意图，该实施例中，地声通信系统包括：发射端100，以及具有采集系统210和上位机系统220的接收端200；
35.发射端100，用于生成承载传输信息的已调信号，并将已调信号以地震波形式发射出去；
36.需要说明的是，这里的传输信息是指要传输的信息，实际实现中，如由用户向发射端输入某一有信息含义的信号，发射端基于该信号进行调制处理生成已调信号，并将已调信号以地震波形式进行发射，容易理解的是这里的地震波一般以大地为传播介质，即图1中的信道是指以大地为传输媒质的信号通道。
37.接收端200中的采集系统210，用于对(信道中的)地震波进行感测，基于压缩感知的采样方式生成采集数据，并将采集数据进行存储及上传；
38.举例而言，这里的采集系统210可基于地震检波器或地震仪实现。
39.接收端200中的上位机系统220，用于接收采集系统210上传的采集数据，并基于压缩感知的恢复方式对接收的数据进行信号重构处理(图1中复原数据)，以及对重构得到的信号进行解调处理，得到传输信息并输出，如显示输出，进而接收端侧的用户可由此获知该信息，从而实现完整的通信过程。
40.本技术的技术方案中，基于具体的系统配置，在采集环节及采集后数据传输环节应用了压缩感知技术，基于压缩感知的特性，相比传统的采样方式，可在保证恢复信号调制的信息的前提下，有效降低了采集信号的数据存储量和数据传输量，提高了有效数据的传输速度。
41.为便于理解本技术的技术方案，下面以另一实施例对本技术的技术方案进行介绍说明。
42.如图1和图2所示，该实施例中的地声通信系统，包括发射端100，以及具有采集系统210和上位机系统220的接收端200，其中,发射端100包括信号调制模块110和可控震源系统120。
43.该实施例中，举例而言，在仿真验证实验中，发射端侧的用户向信号调制模块110输入一具体的高低电平信号(如图4中图例所示)，发射端100中信号调制模块110被配置为：采用振幅键控的调制方式生成已调信号(对应于图2中“载波信号与电平相乘得到已调信号”)，该调制方式属于数字调制技术中的成熟技术，采用该种方式有利于调制模块的构建实现，举例而言，这里的振幅键控的调制方式具体为二进制振幅键控的调制方式，图4所示
为基于labview仿真的进行信号调制的结果示意图。
44.该实施例中，发射端100中的可控震源系统120被配置为：将已调信号以地震波形式发射出去(对应于图2中“可控震源系统将已调信息以地震波的形式送入信道”)，可控震源系统的具体实现可现于相关公开技术资料，本技术这里对此不进行重复赘述了。
45.该实施例中，接收端200中的采集系统210，用于对(信道中的)地震波进行感测，基于压缩感知的采样方式生成采集数据。
46.具体的，该实施例中，采集系统210，其被配置为：基于压缩感知观测矩阵对感测的信号进行计算处理(对应于图2中的“观测矩阵压缩采集地震数据”)，来生成采集数据；
47.为便于理解该种实现方式，这里对基于压缩感知观测矩阵对感测的信号进行处理的方法原理进行一下简要说明：
48.假设采集系统接收的信号为x，这里的x为矩阵表示，其大小为n
×
1；x一般不是稀疏的，但在某个变换域ψ是稀疏的，即x＝ψθ，其中θ为k稀疏的，即信号x在某变换域的稀疏表示；ψ为稀疏矩阵，大小为n
×
n的矩阵；
49.而假设基于压缩感知采集的采集信号为y，同样为矩阵表示，其大小为m
×
1，令s＝φψ，则
50.y＝φx＝φψθ＝sθ
ꢀꢀ
(1)
51.其中，其中φ为观测矩阵，大小为m
×
n(m＜＜n)，s为观测矩阵，大小为m
×
n，进而可得到基于压缩感知采集的地震数据，该实施例中，举例而言，这里的观测矩阵可采用随机高斯测量矩阵。
52.该实施例中，采集数据被上传给上位机系统220，上位机系统220，还被配置为：基于正交匹配追踪算法进行信号重构处理(对应于图2中的“正交匹配追踪算法重构数据”环节)，这里重构实现(或者说数据恢复)的方式与现有技术中类似，下面对算法实现过程简要进行一下说明：
53.在本实施例中，基于正交匹配追踪算法数据恢复流程如图3所示。在数据恢复过程中，首先进行初始化：t＝1，r0＝y，其中s
t
表示t次迭代的索引集合，表示按索引s
t
选出矩阵s的集合，r0为初始残差，表示空集；
54.根据公式(2)，得到索引λ
t
，该公式如下：
[0055][0056]
其中，sj为矩阵s的第j列，更新s
t
和
[0057][0058]
利用最小二乘法得到系数估计如下：
[0059][0060]
更新残差r
t
如下：
[0061][0062]
如果t小于等于k，则从公式(2)开始继续迭代计算，直到得到最终的系数估计
[0063]
从而进一步得到重构的数据如下：
[0064][0065]
其中，t为恢复矩阵。
[0066]
在本实施例中，上位机系统220是一种可以接收采集系统发送的信号处理设备，它可以处理地震数据并将发送端的信号进行还原，其主要功能为压缩感知地震数据的重构(如上所述的基于正交匹配追踪算法的数据恢复)，以及对恢复后的信号的解调，容易理解的是，这里的解调方式要与前文中信号调制模块的调制方式相匹配；
[0067]
如该实施例中，解调实现中，上位机系统220，被配置为，采用振幅键控的解调方式对重构得到的信号进行解调处理，具体的，这里的解调过程(对应于图2中“信号振幅键控解调与还原”流程)，包括：
[0068]
针对重构后得到的信号，利用带通滤波器滤除与载波信号频率不同的噪声，得到第一信号(已调信号)；
[0069]
利用低通滤波器对第一信号进行整形，并基于预设的信号阈值(基于实际需要合理设置的阈值)，将整形后的信号波形还原为电平信号，从而得到发射端发送的信号。
[0070]
该实施例的系统在进行验证仿真时，在接收端，基于labview仿真的压缩感知信号采集、信号重构和解调结果如图5所示：
[0071]
该实施例中，基于压缩感知的采集的地震数据只有发送端数据长度的十分之一，采集系统与上位机系统之间的数据量也只有发送端数据长度(在时域信号维度)的十分之一；而将此数据传输给上位机系统后，利用压缩感知算法对数据进行重构，然后根据振幅键控解调的原理将重构数据还原为传输的信号，其结果表明即使数据量只有原来数据的十分之一也可以恢复发送端传输的信号。
[0072]
综上可知，本案例提出的基于压缩感知的地声通信数据传输实现中，在可以恢复信号调制的信息的条件下，降低了地声通信采集系统的数据存储量和采集端设备与上位机系统之间的数据传输量，有利于降低采集系统的存储成本。
[0073]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
技术特征：1.一种基于压缩感知的地声通信系统，其特征在于，包括：发射端，以及具有采集系统和上位机系统的接收端；所述发射端，用于生成承载传输信息的已调信号，并将所述已调信号以地震波形式发射出去；所述采集系统，用于对地震波进行感测，基于压缩感知的采样方式生成采集数据，并将所述采集数据进行存储及上传；所述上位机系统，用于接收所述采集数据，并基于压缩感知的恢复方式对接收的数据进行信号重构处理，以及对重构得到的信号进行解调处理，得到所述传输信息并输出。2.根据权利要求1所述的地声通信系统，其特征在于，所述采集系统，其被配置为：基于压缩感知观测矩阵对感测的信号进行计算处理，生成所述采集数据。3.根据权利要求2所述的地声通信系统，其特征在于，所述压缩感知观测矩阵包括随机高斯测量矩阵。4.根据权利要求2所述的地声通信系统，其特征在于，所述上位机系统，其被配置为：基于正交匹配追踪算法进行所述信号重构处理。5.根据权利要求1所述的地声通信系统，其特征在于，所述发射端包括信号调制模块和可控震源系统；所述可控震源系统被配置为：将所述已调信号以地震波形式发射出去；所述信号调制模块被配置为：采用振幅键控的调制方式生成所述已调信号；对应的，所述上位机系统，其被配置为：采用振幅键控的解调方式对所述重构得到的信号进行解调处理。6.根据权利要求5所述的地声通信系统，其特征在于，所述振幅键控的调制方式具体为二进制振幅键控的调制方式。7.根据权利要求5所述的地声通信系统，其特征在于，所述采用振幅键控的解调方式对所述重构得到的信号进行解调处理的过程中，包括：针对重构后得到的信号，利用带通滤波器滤除与载波信号频率不同的噪声，得到第一信号；利用低通滤波器对所述第一信号进行整形，并基于预设的信号阈值，将整形后的信号波形还原为电平信号。8.根据权利要求1至7中任一项所述的地声通信系统，其特征在于，所述采集系统基于地震检波器或地震仪实现。
技术总结本申请涉及一种基于压缩感知的地声通信系统，属于地震数据处理技术领域，本申请的系统包括，发射端，以及具有采集系统和上位机系统的接收端；发射端，用于生成承载传输信息的已调信号，并将已调信号以地震波形式发射出去；采集系统，用于对地震波进行感测，基于压缩感知的采样方式生成采集数据，并将采集数据进行存储及上传；上位机系统，用于接收采集数据，并基于压缩感知的恢复方式对接收的数据进行信号重构处理，以及对重构得到的信号进行解调处理，得到传输信息并输出。本申请的技术方案，在保证恢复信号调制的信息的前提下，有效降低了采集信号的数据存储量和数据传输量，提高了有效数据的传输速度。有效数据的传输速度。有效数据的传输速度。
技术研发人员：邢雪峰 蒋元杰 李桃 孙宇博 高嘉阳
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2022.07.06
技术公布日：2022/11/1
