一种基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法与系统

技术领域

本发明涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法与系统。

背景技术

能源作为人类社会发展的基本动力，不仅为经济的高速发展提供了不可或缺的保障，而且在国家安全方面也具有举足轻重的战略意义。石油是全球最重要的一种能源，与各个国家的工业、军事和经济密切相关。近年来，我国对石油需求量亦在不断攀升，据统计数据显示，石油的进口量呈现快速上升的趋势，而国内的生产量则保持在一个相对稳定的水平。石油使用量的不断增加以及应用范围的不断扩大使其在各类能源中长期保持着主导位置。

压裂作为改造低渗油气藏、开发深部油气藏的重要手段,在提高油气采收率方面发挥重要作用。目前,在压裂微地震监测过程中，由于压裂微地震事件的具体产生未知且持续时间很短，需要在压裂微地震事件可能发生的时间内一直进行数据采集，通过采集数据来预测压裂微地震事件，以免错失压裂微地震事件。

而在此工作模式下，首先需要采集大量的传输给压裂微地震监测系统，供压裂微地震监测系统进行预测，然而，由于压裂微地震事件相关数据量庞大，因此，数据传输的效率不够高，从而导致各采集节点对通信带宽的需求较高；而且，数据传输的安全性也得不到保障。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法与系统。

一种基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法，包括：

获取原始压裂微地震信号；

对所述原始压裂微地震信号采用稀疏表示，得到稀疏压裂微地震信号；

基于压缩感知对所述稀疏压裂微地震信号进行压缩，得到压缩后的压裂微地震信号；

对所述压缩后的压裂微地震信号进行加密，得到加密后的压裂微地震信号；

将所述加密后的压裂微地震信号传输至信号接收端；

对所述压缩加密后的压裂微地震信号进行解密，得到解密后的压裂微地震信号；

根据所述解压后的压裂微地震信号，重构所述原始压裂微地震信号。

进一步地，如上所述的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法，所述对所述原始压裂微地震信号采用稀疏表示，得到稀疏压裂微地震信号包括：

选取正交基字典构造正交矩阵ψ(ψ

根据所述正交矩阵ψ对所述原始压裂微地震信号进行稀疏表示，得到稀疏压裂微地震信号X，X＝ψS；其中，S代表的含义为：S为X的稀疏系数。

进一步地，如上所述的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法，所述基于压缩感知对所述稀疏压裂微地震信号进行压缩，得到压缩后的压裂微地震信号包括：

使用高斯随机矩阵构造测量矩阵；

通过所述测量矩阵对所述原始压裂微地震信号进行压缩，得到压缩后的压裂微地震信号。

进一步地，如上所述的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法，所述对所述压缩后的压裂微地震信号进行加密，得到加密后的压裂微地震信号包括：

分别获取公钥和私钥；

将所述公钥发送给所述信号发送方，并保存所述私钥；

根据所述公钥将所述压缩后的压裂微地震信号进行编码，得到编码后的压裂微地震信号；

根据所述公钥，对所述编码后的压裂微地震信号进行加密，得到加密后的压裂微地震信号。

进一步地，如上所述的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法，所述分别获取公钥和私钥包括；

(1)任意选择两个较大的素数p和q，满足p≠q计算模数N＝pq；

(2)求欧拉函数

(3)任意选择一个小于

(4)根据

(5)将p，q以及

(6)根据所述e,d和模数N生成公钥(e,N)和私钥(d,N)。

进一步地，如上所述的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法，所述对所述压缩加密后的压裂微地震信号进行解密，得到解密后的压裂微地震信号包括：

根据所述私钥对所述压缩加密后的压裂微地震信号进行解密，得到解密后的压裂微地震信号。

进一步地，如上所述的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法，所述根据所述解压后的压裂微地震信号，重构所述原始压裂微地震信号包括：利用OMP算法重构所述原始压裂微地震信号。

一种基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输系统，包括：

获取单元，用于获取原始压裂微地震信号；

处理单元，用于对所述原始压裂微地震信号采用稀疏表示，得到稀疏压裂微地震信号；

压缩单元，用于基于压缩感知对所述稀疏压裂微地震信号进行压缩，得到压缩后的压裂微地震信号；

加密单元，用于对所述压缩后的压裂微地震信号进行加密，得到加密后的压裂微地震信号；

传输单元，用于将所述加密后的压裂微地震信号传输至信号接收端；

解密单元，用于对所述压缩加密后的压裂微地震信号进行解密，得到解密后的压裂微地震信号；

重构单元，用于根据所述解压后的压裂微地震信号，重构所述原始压裂微地震信号。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上任一所述基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法。

本发明提供的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法与系统，通过对原始压裂微地震信号基于压缩感知进行压缩，并将压缩后的信号基于RSA加密算法进行加密后再进行传输，使得压裂微地震监测系统在数据传输的过程能够更加高效，降低各采集节点对通信带宽的需求。而且使得数据传输由于采用RSA加密算法经过加密，使得数据传输更加安全。

附图说明

图1为本发明提供的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法流程图；

图2为本发明提供的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输系统结构框图；

图3是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

压缩感知利用测量矩阵，将高维稀疏信号线性投影到低维空间，得到较少的测量值，使得采样压缩同时完成。因此，压缩感知实现了以更低的采样数据恢复原始信号，大大节约了信号的传输和处理的成本。

RSA密码算法是一个基于数论的非对称密码体制，是一种分组密码体制，基于因子分解的指数函数作为单向陷门函数的公钥体制算法。它能够抵抗目前为止已知的所有密码攻击。

本发明将压缩感知与RSA加密算法结合，能实现数据安全高效的传输，为构建数据安全传输系统奠定基础。

图1为本发明提供的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：获取原始压裂微地震信号；

步骤102：对所述原始压裂微地震信号采用稀疏表示，得到稀疏压裂微地震信号；

步骤103：基于压缩感知对所述稀疏压裂微地震信号进行压缩，得到压缩后的压裂微地震信号；

步骤104：对所述压缩后的压裂微地震信号进行加密，得到加密后的压裂微地震信号；

步骤105：将所述加密后的压裂微地震信号传输至信号接收端；

步骤106：对所述压缩加密后的压裂微地震信号进行解密，得到解密后的压裂微地震信号；

步骤107：根据所述解压后的压裂微地震信号，重构所述原始压裂微地震信号。

本发明提供的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法与系统，通过对原始压裂微地震信号基于压缩感知进行压缩，并将压缩后的信号基于RSA加密算法进行加密后再进行传输，使得压裂微地震监测系统在数据传输的过程能够更加高效，降低各采集节点对通信带宽的需求。而且使得数据传输由于采用RSA加密算法经过加密，使得数据传输更加安全。

下面对本发明信号传输的过程做详细说明：

步骤1：信号的稀疏表示。压裂微地震目标信号是一个N维离散信号X，选取正交基字典构造正交矩阵ψ(ψ

X＝ψS

其中ψ(ψ∈R

步骤2：通过测量矩阵对信号进行压缩。具体为；使用高斯随机矩阵构造测量矩阵Φ(Φ∈R

y＝Φx＝Φψs＝Θs

也就是说原始信号X投射到采样矩阵(测量基)Φ上便可得到采样信号y。为了确保让测量值重建出原始信号X，测量基和稀疏基需要满足一定的限制，既有限等距性质。一般用RIP的等价条件相关性判别理论来验证测量矩阵的可用性，即验证测量矩阵Φ与稀疏矩阵ψ是否具有不相关性，，如果二者具有不相关性，则满足限制等距原则，可以通过Θ的互相关系数μ(Θ)来衡量Φ和ψ不相关性

其中的相关系数μ(Θ)定义为Θ中任意两列的相关系数的最大值，μ(Θ)越小，越能精确恢复原始信号。且高斯随机矩阵具有随机性，可以很好的满足不相关性条件。高斯矩阵构造具体过程为：生成一个M×N维矩阵Φ，使得Φ

Φ

步骤3：对压缩后的信号加密。具体为；将压缩后的信号y编码后通过RSA加密算法进行加密主要有两个阶段

1.密钥生成阶段

(1)任意选择两个较大的素数p和q，满足p≠q计算模数N＝pq；

(2)求欧拉函数

(3)任意选择一个小于

(4)根据

(5)将p，q以及

在密钥生成过程结束后可获取公钥(e,N)和私钥(d,N)。将公钥(e,N)发送给所有需要进行通讯的对象即消息发送方，私钥(d,N)由密钥生成方保管好，防止泄漏造成攻击。

2.消息加密阶段

将压缩后的信息y编码后转换为一个小于模数N的非负整数n。如将明文消息的每一个字符转换为这个字符对应的ASCLL码，然后将这些字符对应的ASCLL码连在一起组成新的明文内容。如果信息y的长度很长的话，可以将信息y进行分组，然后将每一组的内容转换成n。通过获取公钥(e,N)以及以上公式将转换后的内容n加密为密文消息C

C＝n

待消息发送方所在的客户端计算出密文消息C后就可以将它传递给消息接收方。

步骤4：对信号解密。待加密过程结束后发送给接收方，就需要对加密信号解密。具体为；利用密钥生成阶段获取的私钥(d,N)以及公式对密文消息C进行解密从而得转换后的内容n

n＝C

在得到转换后的内容n后，可以根据转换方式重新复原为明文信息y。对密文消息C解密的工作原理为：n

最后对解密后的信息逆向解码就能得到压缩后的信号y。

步骤5：通过OMP算法重构原始数据。OMP算法实在每次迭代选择与当前残差内积绝对值最大的新原子加入支撑集中，已经选过的原子则和残差线性正交，让后续迭代保持正交性，并加快列算法的收敛速度。具体为：已知稀疏信号X，观测向量y＝Φx，传感矩阵A＝Φψ，OMP算法重构信号流程如下：

步骤1；初始化r

步骤2:选择原子，λ

步骤3:更新原子和支撑集，Δ

步骤4:最小二乘法更新y＝A

步骤6：更新

通过以上算法既能重构原始数据x，使得压裂数据安全高效的传输。

图2为本发明提供的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输系统结构框图，下面对本发明提供的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输系统进行描述，下文描述的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输系统与上文描述的基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法可相互对应参照。

该系统包括：

获取单元201，用于获取原始压裂微地震信号；

处理单元202，用于对所述原始压裂微地震信号采用稀疏表示，得到稀疏压裂微地震信号；

压缩单元203，用于基于压缩感知对所述稀疏压裂微地震信号进行压缩，得到压缩后的压裂微地震信号；

加密单元204，用于对所述压缩后的压裂微地震信号进行加密，得到加密后的压裂微地震信号；

传输单元205，用于将所述加密后的压裂微地震信号传输至信号接收端；

解密单元206，用于对所述压缩加密后的压裂微地震信号进行解密，得到解密后的压裂微地震信号；

207，用于根据所述解压后的压裂微地震信号，重构所述原始压裂微地震信号。

图3示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(CommunicationsInterface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行基于压缩感知和RSA加密算法的压裂数据传输方法，该方法包括：

获取原始压裂微地震信号；

对所述原始压裂微地震信号采用稀疏表示，得到稀疏压裂微地震信号；

基于压缩感知对所述稀疏压裂微地震信号进行压缩，得到压缩后的压裂微地震信号；

对所述压缩后的压裂微地震信号进行加密，得到加密后的压裂微地震信号；

将所述加密后的压裂微地震信号传输至信号接收端；

对所述压缩加密后的压裂微地震信号进行解密，得到解密后的压裂微地震信号；

根据所述解压后的压裂微地震信号，重构所述原始压裂微地震信号。

此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。