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基于时频特征分析的深度学习用于引力波信号处理研究

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基于时频特征分析的深度学习用于引力波信号处理研究

作者：钟国健江西理工大学

学位级别：硕士

在图像处理、自然语言处理、自动驾驶等方面,深度学习已经成为解决复杂问题的关键技术,也促进了引力波数据处理效率的提升。近年来,多种计算机视觉算法如图像分类和目标检测等被迁移到引力波数据处理,本文通过引力波时频变换,首先研究... 详细信息

在图像处理、自然语言处理、自动驾驶等方面,深度学习已经成为解决复杂问题的关键技术,也促进了引力波数据处理效率的提升。近年来,多种计算机视觉算法如图像分类和目标检测等被迁移到引力波数据处理,本文通过引力波时频变换,首先研究了引力波信号的分类任务,在此基础上首次将图像分割任务用于引力波数据处理,本文的主要工作内容如下:(1)引力波信号包含随时间变化的频率和振幅信息,直接在时序数据上分析这些非平稳信号较为困难。时频图通过展现信号随时间变化的频率成分,使得引力波中的非平稳特征更容易识别和分析。以引力波时频变换图为输入,引入计算机视觉中的图像分类方法,研究了引力波时频图数据的分类。采用的模型包括基于卷积的Res Net50和基于注意力的Vi T,借助迁移学习策略,使用Imag Net数据集上的预训练权重来加速模型收敛和提高性能。验证集的结果表明,Res Net50分类准确率高于Vi T。将模型应用于第一次观测和第二次观测(O1/O2)中所有的引力波事件。Res Net50和Vi T模型都识别了10个双黑洞并合事件中的7个。(2)二维时频张量直接反映了信号在不同时间和频率下的强度,这种量化信息在转换为图像时可能会被压缩或丢失,直接将二维时频张量用于引力波信号识别可以避免信息的损失。结合卷积与注意力机制构建模型,探究了二维时频张量不同输入方式下的识别性能。方式一从该二维时频张量中选取最大频点值作为模型输入,旨在通过简化的数据表示来捕捉信号的关键信息。方式二直接采用完整的二维时频张量作为模型输入,保留数据的所有细节。实验结果表明,方式二在验证集识别准确率更高,在O1/O2真实事件应用上,其识别了10个双黑洞并合事件中的8个。(3)与图像分类相比,语义分割不仅关注是否包含引力波信号,还能提供引力波信号在图像中的具体位置和形态。首次探讨了利用图像语义分割技术进行引力波搜索的方法。包括数据的生成,语义标签的自动标注,模型的构建、训练与测试。采用U-Net,PSPNet,Deep Labv3+,HRNet V2和Seg Former五种图像分割方法,通过实验分析了这五种分割方法在测试集、真实事件中的表现。结果表明:在包含引力波数据的测试集中发现Seg Former的分割精度最高。在LIGO-VIRGO-KAGRA组织公开的O1/O2真实引力波数据的分析中Seg Former清楚分割出了除GW170818外的所有双黑洞并合事件。

关键词：深度学习时频特征图像分类语义分割

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基于时频特征的ECG信号识别研究

基于时频特征的ECG信号识别研究

作者：宋蓝天江南大学

学位级别：硕士

心电图(ECG)信号能很好地反映出人的病理特征,是临床诊断的重要依据,但由于ECG信号是一种微弱、非平稳、易受噪声干扰的信号,使得ECG信号的识别诊断具有较大困难。本文针对ECG信号特点,采用时频特征对ECG信号识别展开研究,着重研究了EC... 详细信息

心电图(ECG)信号能很好地反映出人的病理特征,是临床诊断的重要依据,但由于ECG信号是一种微弱、非平稳、易受噪声干扰的信号,使得ECG信号的识别诊断具有较大困难。本文针对ECG信号特点,采用时频特征对ECG信号识别展开研究,着重研究了ECG信号特征波定位检测、特征值提取及识别分类方面的内容,具体研究工作如下: 首先,进行了ECG信号特征波QRS波的定位检测研究,通过改进已有的小波变换算法和阈值算法,提出了基于三次B样条小波自适应阈值的QRS波检测算法。该算法选取了滤波器个数少且在噪声环境下检测奇异点较好的三次B样条小波作为小波基并结合自适应阈值的方法检测小波变换的模极大值对以提高检测速度。仿真实验在MIT-BIH数据库中验证表明该方法能有效检出含有严重基线漂移和工频干扰的ECG信号,检测率达到了99.8%,并能满足实时检测的要求。然后,提出了一种是基于小波能量熵的晚电位识别算法。该算法根据小波变换的多分辨率特性构造相关能量熵,凸现了暂态异常信号的差异、抑制了噪声,并且此算法不需要QRS波的逐拍定位。仿真实验证明该方法能有效识别出晚电位信号。其次,提出了一种基于小波包节点熵的心律失常信号分类算法。算法在对QRS波精确定位的基础上研究了比小波变换具有更加精细时频结构的小波包特征值。为了进一步进行定量分析,将小波包特征值输入支持向量机和径向基神经网络两种分类器进行分类,并提取小波特征进行组合比较,仿真结果显示基于小波包节点熵特征值与支持向量机的组合分类结果达到了97.14%的准确率,高于其他对比方法。最后,研究了基于时频分布的心律失常信号识别,主要通过改进经典的时频方法提高信号的时频聚集性和可读性对心律失常信号进行区分。文中主要提出了两种方法,一种是结合了高阶特征与WVD优点的Wigner高阶谱法,该方法有效抑制了噪声、提高了时频聚集性;另一种是基于PWVD-Hough变换的改进方法,该方法将ECG信号的伪Wigner-Vile分布(Pseudo Wigner-Vile Distribution,PWVD)在Hough变换域表示,能在一定程度上抑制噪声减少交叉项,对ECG信号有凸现和聚集作用,提高了时频图的可读性。

关键词： ECG信号识别时频特征 QRS波检测小波能量熵小波包支持向量机 Wigner高阶谱

时频特征联合VGG-16的风力发电机齿轮箱故障诊断方法

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自动化应用 2023年第17期64卷 72-74,78页

作者：于大海郝俊红高严长春光华学院电气信息学院吉林长春130011

针对传统风力发电机齿轮箱故障诊断存在效率低、实时性较差、准确率偏低等问题,本文提出了一种时频特征联合深度学习的风力发电机齿轮箱故障诊断方法。通过实时测取的箱体振动信号,利用离散小波转换提取信号的时频特征,并联合改进的VGG... 详细信息

针对传统风力发电机齿轮箱故障诊断存在效率低、实时性较差、准确率偏低等问题,本文提出了一种时频特征联合深度学习的风力发电机齿轮箱故障诊断方法。通过实时测取的箱体振动信号,利用离散小波转换提取信号的时频特征,并联合改进的VGG-16模型,完成齿轮组不同类型故障的诊断。实验结果表明,所设计诊断方法的Recall和mAP值较高,分别为93.51%、91.85%;断齿、磨损以及根裂故障的诊断准确率均在90%以上,且检测实时性良好,能较好地满足实际应用需求。

关键词：时频特征改进 VGG-16 离散小波故障诊断

基于电弧信息时频特征的多层多道焊缝熔宽预测研究

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电焊机 2021年第12期51卷 16-22,27,I0004页

作者：袁飞岳晨凯黄勇李晓鹏王克鸿江南造船(集团)有限责任公司江南研究院焊接制造实验室上海201913 南京理工大学材料科学与工程学院江苏南京210094 江苏靖宁智能制造有限公司江苏靖江214500

以多层多道的熔化极气体保护电弧焊接过程为研究对象,以识别熔宽为目标,设置了不同的工艺实验,获得了不同熔宽下对应的电弧信号。对不同工艺条件下的电信号进行了时频特征分析,并利用变分模态分解(VMD)方法提取其时频特征值,结合支持向... 详细信息

以多层多道的熔化极气体保护电弧焊接过程为研究对象,以识别熔宽为目标,设置了不同的工艺实验,获得了不同熔宽下对应的电弧信号。对不同工艺条件下的电信号进行了时频特征分析,并利用变分模态分解(VMD)方法提取其时频特征值,结合支持向量机(SVM)模式识别算法对熔宽进行多分类,构建了不同工艺参数与熔宽的预测模型。经验证,预测精度达到98.6111%。为焊接过程信息化和智能化发展奠定了较好的技术基础。

关键词：电弧电信号时频特征熔宽预测

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露天矿山爆破信号时频特征提取与分析

三明学院学报 2020年第2期37卷 71-76页

作者：王陀林梦吟曾艺婷顾城秦明付晓强三明学院建筑工程学院福建三明365004 工程材料与结构加固福建省高等学校重点实验室福建三明365004

为了探索露天台阶爆破振动波传播的能量分布特征,在现场对爆破振动有效采集,利用短时傅里叶变换(short-time fourier transform,STFT)对不同爆心距处的振动信号能量在时频平面上的分布进行了分析。结果表明:爆破振动信号能量主要集中在3... 详细信息

为了探索露天台阶爆破振动波传播的能量分布特征,在现场对爆破振动有效采集,利用短时傅里叶变换(short-time fourier transform,STFT)对不同爆心距处的振动信号能量在时频平面上的分布进行了分析。结果表明:爆破振动信号能量主要集中在30 Hz范围内,三向振速幅值呈现竖直垂向>水平径向>水平切向的规律。爆破能量随爆心距的变化呈指数衰减,且在爆破近区振速衰减较远区更为明显,随着高程的增大,主频降低且信号能量谱在爆破远区呈现多频带、多峰值的特征。边坡岩体的高程效应更多地体现在振动响应时间增长、响应主频降低方面,将能量分布纳入爆破安全标准制定具有现实意义。

关键词：露天开采微差爆破爆破振动时频特征能量衰减

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南亚高压结构及其时频特征

南京气象学院学报 1980年第1期 7-16页

作者：章基嘉彭永清王鼎良

前言随着季节转换,北半球夏季各月,在亚洲南部上空对流层上部出现的南亚高压,是一个直接影响北半球大气环流演变的重要环流系统。对于它,人们已从某些角度,比如说:它的位置、形状,流场特征,振荡特性,及其与我国天气的关系等方面作了研... 详细信息

前言随着季节转换,北半球夏季各月,在亚洲南部上空对流层上部出现的南亚高压,是一个直接影响北半球大气环流演变的重要环流系统。对于它,人们已从某些角度,比如说:它的位置、形状,流场特征,振荡特性,及其与我国天气的关系等方面作了研究。而关于它的结构及其在时域和频域上的特征却缺乏探讨。我们认为,对于这样一个既直接影响到整个北半球环流的变化,又与我国东部夏季大范围旱涝有重大影响

关键词：南亚高压中南半岛频域经圈环流环流结构环流圈时频特征

传播介质特性对爆破震动信号分析中小波包时频特征的影响

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工程爆破 2003年第1期9卷 64-68页

作者：宋光明曾新吾陈寿如吴从师国防科学技术大学理学院中南大学资源与安全工程学院长沙410083 长沙交通学院河海系

传播介质是指爆破震动赖以向外传播的地层介质 ,其基本特征是影响爆破震动时频分布的主要因素之一。当传播介质中有爆破震动通过时 ,其动态响应将会因其原地结构的不同而在响应持续时间、频谱、响应的衰减等特征方面均有较大差异。本文... 详细信息

传播介质是指爆破震动赖以向外传播的地层介质 ,其基本特征是影响爆破震动时频分布的主要因素之一。当传播介质中有爆破震动通过时 ,其动态响应将会因其原地结构的不同而在响应持续时间、频谱、响应的衰减等特征方面均有较大差异。本文利用岩体 (岩土混合体 )基本质量指标BQ值以及完整性系数Kv 来量化传播介质特性。通过对不同岩层地质条件下产生的爆破震动进行小波包分析 ,探讨了传播介质特性量化参数与爆破震动时频分布之间的关系。研究中发现 ,传播介质特性对单段波形小波包细节信号的主振频带分布、峰值质点振速及衰减阻尼比等时频特征参数均有较大影响 ,其中主振频带分布范围随着传播介质的完整性系数Kv 值减小而增大 ,优势频率值随完整性系数Kv 值减小而增加 ,而峰值质点振速及衰减阻尼比与完整性系数Kv

关键词：震动信号爆破震动传播介质特性小波包分析时频特征信号分析

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海洋环境水下电场时频特征分析

装备环境工程 2014年第5期11卷 58-61页

作者：江立军海军驻大连地区军代表室辽宁大连116021

目的：掌握海洋环境水下电场主要能量来源和衰减规律。方法结合理论研究环境电场幅值随时间的变化规律，重点分析水下环境电场不同频带的频谱分布，最后计算得到海洋环境水下电场不同频点的幅值在整个频带所占比重。结果海洋环境水下电... 详细信息

目的：掌握海洋环境水下电场主要能量来源和衰减规律。方法结合理论研究环境电场幅值随时间的变化规律，重点分析水下环境电场不同频带的频谱分布，最后计算得到海洋环境水下电场不同频点的幅值在整个频带所占比重。结果海洋环境水下电场随海水电导率和海水运动强度的减弱，幅值降低，能量主要集中在0.01－1 Hz 的低频以及工频处，在一定的空间范围内海洋环境水下电场的一致性较强。结论实验结果与理论分析结果具有一定的吻合度。

关键词：海洋环境水下电场时频特征能量分配

水声目标辐射噪声可分性时频特征的选择和提取研究

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声学与电子工程 2013年第3期 10-12,22页

作者：励荣锋陈磊第七一五研究所杭州310012 海军装备研究院北京100161

从物理意义上对各类目标的功率谱特点和调制谱特点进行了分析,并在分析的基础上确定了所要提取的时频特征,最后通过实际数据的分析对这些时频特征的可分性进行了研究验证。

关键词：水声目标目标识别时频特征辐射噪声