数学执本与率用
算法分析
基于微分进化算法的匹配追踪算法研究
王世豪金辉鑫
(东北电力大学吉林吉林132012)
摘要：针对匹配进踪算法在信号分解过程中计算完余、参数匹配精度低等缺点,将改进的微分进化算法与匹配踪算法相结合，以提高信号处理的速度以及精确度。并将该算法应用于超声回波仿真信号和模热管污垢超声检测实验信号的处理,并与标准匹配追踪算法作对比。结果表明,基于微分进化算法的匹配追踪算法在信号处理中的计算效率和精度明显高于标准匹配算法,获得较好的降录和信息提取效累,对超声检测信号的处理具有较重要的意义
关键词超声时或脉冲反射匹配追踪算法微分进化算法
中图分类号：TP301.6 1引言
文献标识码:A
换热设备污垢的形成是流体在进行质量、热量和动量交换的过程中，共同作用的结果，影响因素复杂。但其广泛存在于工程技术领域的各种换热设备中，对设备运行的安全性和经济性造成严重的危害"。目前对污垢检测的研究大多基于热交换理论，利用污垢热阻值间接对污垢进行评估，而这种闻接测量容易出现热阻值为负的特异现象，影响对污垢的测量。
本课题组采用基于超声时域反射方法(ultrasonictime-do-mainreflectometry，UDTR对换热设备管道进行污垢检测的研究。针对超声检测信号的降噪，压缩与信息提取等问题，提出采用基于混沌微分进化算法的匹配追踪进行信号的分解与重构，实现信号的
降噪与压缩，为污垢的进一步定量分析与抑制奠定了基础。 2改进的匹配追踪算法
匹配追踪算法是1993年由MallatS和ZhangZ提出的一种通过逐步送代来提取有用信号的贪婪算法，其主要思想是把信号在根据实际信号特征建立的元余的原子库上展开，不断将残差信号投影到过完备原子库中的每个原子上，寻找到最匹配原子从而达到去噪的效果，
根据信号f自身特点选取合适的窗函数g(t)，并调制构建超完备元余原子库。不断地将信号投影到过完备原子库中的每一个原子，通过送代算法将待选择原子与待匹配信号(或残差信号)作内积运算，通过内积的大小来选取合适的匹配原子gy，信号与在原子g 上投影之后的残余R作为下一次匹配的原信号。匹配追踪是不断送代的过程，在残差信号的能量R达到预定阅值之前，再次根据信号与原子库原子内积的大小寻找到最匹配的原子，将分解后的残差作为下一次匹配的原信号。通过送代把信号表达为其在原子库上的各次投影与残差的线性组合
微分进化算法是一种基于种群进化的多点并行的随机搜索算法，该算法理论简单，应用方便，搜索效率较高，较适合应用于参数优化。DE算法编程简单且实用，本质上是一种基于实数编码的贪婪遗传算法，具有记忆个体最优解和种群内信息共享的特点。针对匹配追踪的需要，DE算法可以实现在Gagor原子库(s,,V,)四维空间内连续寻优，具有良好的良好的并行搜索效率，全局收敛能力及鲁棒性。
3实验信号处理
实验在自主研发的换热器污垢动态模拟实验台上进行，实验台由管壳式换热器和循环水系统构成。所用实验管为外径25mm，内径22mm的铜管，接近工业生产换热过程中较为常用的小管径薄壁换热管。管内所需要的工艺流体是模按照实验要求配制的液体，等摩尔的Na,CO,溶液与CaCL,溶液完全反应后的溶液，在实验过程中经过长期换热形成CaCO,污垢。实验过程中水域温度保持在50C左
收移日期：2015-01-14
文章缩编号:1007-9416(2015)01-0119-0)
右，却水温度通过冷却系统控制在29C左右。
由于小直径薄壁管的缺点有外径很小，曲率很大，探头难以与管材表面直接耦合，并且管壁比较薄，实验采用V312-SU型10MHz 收发一体水浸聚焦超声探头通过精密万向架架设在管道正上方进行超声检测，来克服声束在内壁上较为严重的发散现象，提高实验结果的分辨率。聚焦中心设定在管道内壁附近。超声回波信号经数据采集器采集，存储人计算机等待进行后续数据处理。以实验运行 10天左右采集的超声回波数据为例。
采用基于混沌微分进化算法的匹配追踪算法对截取信号进行降噪处理，其中微分进化算法种群数量规定100，分别采用MP算法和DE一MP算法对截取信号进行50次匹配分解，DE参数优化算法种群数量取值100，送代次数取100次。对这几种方法的信号处理时间和信号重构后残差能量比进行了统计和平均，MP算法运行时间需要28.037s，信噪比0.3225，而经过改进的DE-MP算法运行时间仅需 10.1540s，信噪比3.1007，通过DE参数优化算法改进MP算法有效的改善了传统MP算法运行时间长，运算复杂度高的问题，并且大幅度
的提高算法匹配的精确度。 4结语
本文通过在传统MP算法中引人混沌系统和微分进化算法，提出了一种新的匹配算法一基于混沌微分进化算法的匹配追踪算法，通过对仿真信号的处理，我们可以看出在MP算法中加人微分进化算法加快了信号分解的速度，提高了信号特征提取的精度，混沌系统的弓人有效的防止了局部最优情况的发生。最终，通过对换热污垢超声检测信号的处理验证了基于微分进化算法的匹配追踪算法够较为快速有效地实现超声信号的去噪、压缩与信息提取，证明了
该方法实用的有效性和可行性。参考文献
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作者简介：王世豪(1990一),男，山东青岛股南人,硕士研究生,毕业院校：东北电力大学研究方向：换热设备污垢检测与应用
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