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    近一千期重庆时时彩: 一种基于DE算法的重力固体潮信号的独立分量分析方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201610984762.9

    申请日:

    2016.11.09

    公开号:

    CN106570529A

    公开日:

    2017.04.19

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G06K 9/62申请日:20161109|||公开
    IPC分类号: G06K9/62; G06N3/12 主分类号: G06K9/62
    申请人: 昆明理工大学
    发明人: 全海燕; 高略
    地址: 650093 云南省昆明市五华区学府路253号
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610984762.9

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.05.17|||2017.04.19

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供一种基于DE算法的重力固体潮信号的独立分量分析方法,属于信号处理领域。该方法主要包括基于重力固体潮信号三维正交分解模型的分析、重力固体潮信号的预处理、DE算法的参数设定、优化目标函数、重力固体潮信号独立分量分析。本发明通过建立重力固体潮信号的三维正交分解模型,将重力固体潮信号的谐波分量从空间的角度实现正交分解,以实现提取的谐波分量频率反映空间上相互独立的地球物理信息。本算法的优点在于传统的ICA算法中引入DE算法,有效避免了ICA算法收敛速度慢和局部收索的缺点,是一种有效的,对重力固体潮信号进行正交分析的新方法。

    权利要求书

    1.一种基于DE算法的重力固体潮信号的独立分量分析方法,其特征在于:包括下述步
    骤:
    1)建立重力固体潮的三维正交分解模型;
    2)选取任意时间段,同经度,不同纬度地点的m路重力固体潮信号S={s1(t),s2
    (t),...,sm(t)}作为输入;
    3)对步骤2中的m路重力固体潮信号预处理:利用特征值分解方法对观测信号进行白化
    和去均值处理,得到白化矩阵W1,白化信号
    4)利用DE算法优化分离矩阵W2;
    4.1设置参数:初始化粒子的种群规模Np即DE算法中的种群个数,同时也是独立成分分
    析算法中需求解解混解混矩阵的个数;维度D即所求问题的维数;缩放因子F,影响对基本向
    量的扰动程度;最大迭代次数Gm;交叉率CR,决定种群中多少个成员可能被改变;初始化代
    数G;
    4.2初始化一个随机种群X;
    4.3求新的变异向量Vi(g+1),开始进行迭代循环,令i=1:Np,根据公式Vi(g+1)=xr1(g)
    +F·(xr2(g)-xr3(g)),其中r1≠r2≠r3,随机选择种群内两个个体xr2(g)与xr3(g),计算差分向
    量的权重(F·(xr2(g)-xr3(g)))与基础向量xr1(g)相加得到新的变异向量Vi(g+1);
    4.4求新的正交矩阵X(c),根据公式
    j=1,2,...,D,jrand为[1,D]内
    随机选择的整数,D为问题的维数,CR∈(0,1)为交叉率,对新的变异向量Vi(g+1)进行二项
    式交叉,通过随机选择,使试验向量至少有一个分量由变异向量贡献,得到试验向量ui,j(g+
    1),并对其进行矩阵的转置,得到一个新的正交矩阵X(c);
    4.5根据目标函数Fitness=max{{E{z4}-3(E{z2})2}}和正交矩阵X(c),求出粒子的适
    应值Fitness,即为每一路信号的峭度值。
    4.6根据公式对适应值进行寻优,若
    Fitnessnew<Fitnessold(i),则终止循环,对粒子进行矩阵的转置,得出分离矩阵W2,否则
    返回步骤4.1;
    5)根据公式G为全局矩阵/系统矩阵,得到输出信号
    6)提取到重力固体潮信号的各谐波信号分量,将其做频谱分析,将频谱分析结果与理
    论值进行对比。
    2.根据权利要求1所述的DE算法的重力固体潮信号的独立分量分析方法,其特征在于:
    步骤1中建立重力固体潮的三维正交分解模型的具体过程为:
    针对地球上的某观测点A,在考虑它受到地球自转、太阳和月亮引潮力的作用下,设其
    引起的固体潮为F,F可以分解为两个正交的信号:地倾斜固体潮信号Fh和重力固体潮信号
    Fg;Fg可以分解为2个正交的向量:一个平行于赤道平面的信号分量F1,一个平行于地球自转
    轴的信号分量F2;F1又可以正交分解为在同一平面内的2个信号分量F11和F12。

    说明书

    一种基于DE算法的重力固体潮信号的独立分量分析方法

    技术领域

    本发明涉及一种优化算法,尤其涉及一种基于DE(differential evolution,差分
    进化)算法的重力固体潮信号的独立分量分析方法,属于信号处理领域。

    背景技术

    在太阳、月亮等天体的潮汐引力作用下,地球会产生沾弹性形变现象,反映这种现
    象的可观测地球物理信号是重力固体潮信号。重力固体潮信号反映了太阳、月亮等天体潮
    汐引力的周期变化,若能从中单独分离出各个天体的潮汐引力分量,揭示个分量间的叠加
    关系,将能更深刻的理解天体间重力作用规律。

    在重力固体潮信号中含有丰富的潮汐谐波分量,根据英国人杜森的调和函数展
    开,可以分解成振幅为常数的386个谐波,这些潮汐谐波分量根据谐波周期长度可以划分为
    长周期波系、日波系、半日波系3种谐波系。这些谐波分量中含有丰富的地球物理物理信息,
    因此分析重力固体潮信号中的谐波分量对研究重力固体潮具有重要意义。

    多年来对固体潮的分析工作主要是进行谐波分析(调和分析),目前国际地球潮汐
    中心(ICET)推荐的标准潮汐分析方法有Venedikov调和分析方法和ETERNA调和分析方法。
    这类方法虽然能对重力固体潮信号进行全局分析,但是在对信号进行局部分析时不能将重
    力固体潮信号中的谐波分量的关系全面的揭示出来,所提取的谐波分量与重力固体潮产生
    机制不能一一对应。

    DE(differential evolution,差分进化)是一种基于群体进化的算法,具有记忆
    个体最优解和种群内信息共享的特点,即通过种群内个体间的合作与竞争来实现对优化问
    题的求解,其本质是一种基于实数编码的具有保优思想的贪婪遗传算法。但与传统的遗传
    算法相比,它不但保留了基于种群的全局搜索策略,采用实数编码、基于差分的简单变异操
    作和一对一的竞争生存策略,而且降低了遗传操作的复杂性。

    发明内容

    本发明要解决的技术问题是基于重力固体潮信号的正交分解模型。通过谐波分量
    的产生机制,提供一种基于DE算法的重力固体潮信号独立分量分析的方法,根据观测的重
    力固体潮信号中自身包含的信息,通过DE算的对ICA算法中最重要的解混矩阵进行优化,对
    重力固体潮信号的谐波分量从空间的角度实现正交分解,提取的谐波分量频率反映空间上
    相互独立的地球物理信息。

    本发明采用的技术方案是:

    1)分析重力固体潮信号的三维正交分解模型,如图1,针对地球上的某观测点A,在
    考虑它受到地球自转、太阳和月亮引潮力的作用下,设其引起的固体潮为F,F可以分解为两
    个正交的信号:地倾斜固体潮信号Fh和重力固体潮信号Fg。本文就重力固体潮信号Fg进行分
    析,Fg可以分解为2个正交的向量:一个平行于赤道平面的信号分量F1,一个平行于地球自转
    轴的信号分量F2。F1又可以正交分解为2个信号分量F11和F12(在同一平面内),这样重力固体
    潮信号就被正交分解为三维正交向量,如图1所示。根据三维正交向量分解模型,其中F1与
    赤道平面平行,不但与地球自转相关,而且与地球绕太阳公转有关,因此主要体现重力固体
    潮信号的日波F11、半日波F12谐波成分。F2和地球自转轴平行,与地球自转无关,其分量体现
    在重力固体潮信号中主要为年波、半年波等成分,不含日波、半日波成分。这样三维正交分
    解模型就可以将重力固体潮信号中不同的谐波分量对应分解到与各谐波相对应的三维正
    交向量中。

    2)选取任意时间段,同经度,不同纬度地点的m路重力固体潮信号S={s1(t),s2
    (t),...,sm(t)}作为输入。

    3)对步骤2中的m路重力固体潮信号预处理:利用特征值分解方法对观测信号进行
    白化和去均值处理,得到白化矩阵W1,白化信号

    4)利用DE算法优化分离矩阵W2。

    4.1设置参数:初始化粒子的种群规模Np即DE算法中的种群个数,同时也是独立成
    分分析算法中需求解解混解混矩阵的个数;维度D即所求问题的维数;缩放因子F,影响对基
    本向量的扰动程度;最大迭代次数Gm;交叉率CR,决定种群中多少个成员可能被改变;初始
    化代数G。

    4.2初始化一个随机种群X。

    4.3求新的变异向量Vi(g+1),开始进行迭代循环,令i=1:Np,根据公式Vi(g+1)=
    xr1(g)+F·(xr2(g)-xr3(g)),其中r1≠r2≠r3,随机选择种群内两个个体xr2(g)与xr3(g),计算
    差分向量的权重(F·(xr2(g)-xr3(g)))与基础向量xr1(g)相加得到新的变异向量Vi(g+1)。

    4.4求新的正交矩阵X(c),根据公式

    jrand为[1,D]
    内随机选择的整数,D为问题的维数,CR∈(0,1)为交叉率,对新的变异向量Vi(g+1)进行二
    项式交叉,通过随机选择,使试验向量至少有一个分量由变异向量贡献,得到试验向量ui,j
    (g+1),并对其进行矩阵的转置,得到一个新的正交矩阵X(c)。

    4.5根据目标函数Fitness=max{{E{z4}-3(E{z2})2}}和正交矩阵X(c),(求取的Z
    峭度值F,其中:kurt为峭度,峭度是随机变量的四阶累积量,峭度值越大,其非高斯性越大,
    其作为目标函数,可以得到分离性能最大的独立信号源)求出粒子的适应值Fitness,即为
    每一路信号的峭度值。

    4.6根据公式(即采用“贪婪”选择策略,
    根据目标向量xi(g+1)与试验向量ui(g+1)为下一代的目标向量的适应值f(xi(g))和f(ui(g
    +1))来选择最优个体)对适应值进行寻优,若Fitnessnew<Fitnessold(i),则终止循环,对
    粒子进行矩阵的转置,得出分离矩阵W2,否则返回步骤4.1。

    5)根据公式得到输出信号G为全局矩阵/系统矩阵。若则达
    到了分离(或)恢复源信号的目标。

    6)提取到重力固体潮信号的各谐波信号分量,将其做频谱分析,将频谱分析结果
    与理论值进行对比。

    本发明优点在于:将DE算法与传统的ICA算法相结合,通过DE算法中的变异、交叉、
    选择模型的更新运用到ICA算法中解混矩阵的求解,来改善传统ICA算法的初始值敏感问
    题,对传统的ICA算法进行优化。改进后的算法有效地从重力固体潮信号中提取出三个独立
    分量,分别为:反映月球、太阳相对于地球轨道变化产生的长周期波系分量,和反映地球自
    转产生的日波系分量,以及反映地球自转产生的半日波系分量,并且,从这些分解出的独立
    分量中提取出具体谐波成分。有效地将这些独立成分与地球、月亮、太阳等天体轨道变化产
    生的引力潮汐效应建立对应关系??捎糜诙员壤砺壑岛褪导什饬恐档牟钜?,可以有效且精
    准的得到地震前兆信息或地震的异?;坌畔?。

    附图说明

    图1为本发明的算法流程图;

    图2为本发明的重力固体潮信号三维正交分解模型;

    图3为二项式交叉操作图;

    图4为本发明实例中的重力固体潮信号波形图;

    图5为本发明实例中用本发明算法提取出的独立谐波分量图;

    图6为本发明实例中的提取出的独立成分信号的频谱。

    具体实施方式

    下面结合具体附图和实例对本发明作进一步说明。

    实施例1:本发明提出的基于DE算法的独立分量分析算法,如图1所示,包括如下步
    骤:

    1)对重力固体潮信号正交模型进行分析,如图2图中,针对地球上的某观测点A,在
    考虑它受到地球自转、太阳和月亮引潮力的作用下,设其引起的固体潮为F,F可以分解为两
    个正交的信号:地倾斜固体潮信号Fh和重力固体潮信号Fg。本文就重力固体潮信号Fg进行分
    析,Fg可以分解为2个正交的向量:一个平行于赤道平面的信号分量F1,一个平行于地球自转
    轴的信号分量F2,F1又可以正交分解为2个信号分量F11和F12,这样重力固体潮信号就被正交
    分解为三维正交向量。

    2)根据重力固体潮三维正交模型,作用于地球上的重力固体潮信号受地球自转、
    太阳、月亮的引潮力作用引起,分离出的重力固体潮信号独立分量为3个,在2010年1月到
    2010年6月这段时间内,在同经度,不同纬度的三个采样点,采样点1(130°E,40°N)、采样点2
    (130°E,50°N)、采样点3(130°E,60°N),选取三路信号x1,x2,x3,对应的重力固体潮信号波形
    如图4所示。

    3)对观测信号预处理:利用特征值分解等方法对待处理信号进行白化和去均值处
    理,得到白化矩阵W1,白化信号

    4)利用DE算法优化分离矩阵W2;

    求解过程如下:

    4.1设置参数:初始化粒子的种群规模Np,即DE算法中的种群个数,同时也是独立
    成分分析算法中需求解解混解混矩阵的个数。维度D,即所求问题的维数,缩放因子F(影响
    对基本向量的扰动程度),最大迭代次数Gm,交叉率CR(决定种群中多少个成员可能被改
    变),初始化代数G,如表1所示;

    表1参数设置


    4.2初始化一个随机种群X;

    4.3开始进行迭代循环,令i=1:Np,根据公式

    Vi(g+1)=xr1(g)+F×(xr2(g)-xr3(g)),r1≠r2≠r3,F为缩放因子,随机选择种群内
    两个个体xr2(g)与xr3(g),计算差分向量的权重(F×(xr2(g)-xr3(g)))与基础向量xr1(g)相加
    得到新的变异向量Vi(g+1),

    4.4根据公式

    为[1,D]
    内随机选择的整数,D为问题的维数CR∈(0,1)为交叉率,如图3所示。

    对新的变异向量进行二项式交叉,通过随机选择,使试验向量至少有一个分量由
    变异向量贡献,得到试验向量ui,j(g+1),并对其进行矩阵的转置,得到一个新的正交矩阵X
    (c);

    4.5根据目标函数Fitness=max{{E{z4}-3(E{z2})2}}和正交矩阵X(c),(求取Z的
    峭度值F,峭度是随机变量的四阶累积量,峭度值越大,其非高斯性越大,其作为目标函数,
    可以得到分离性能最大的独立信号源。)求出粒子的适应值Fitness,即为每一路信号的峭
    度值。

    4.6根据公式(即采用“贪婪”选择策略,
    根据目标向量xi(g)与试验向量ui(g+1)为的适应值f(xi(g))和f(ui(g+1))来选择最优个
    体。)对适应值进行寻优,若Fitnessnew<Fitnessold(i),则终止循环,对粒子进行矩阵的
    转置,得出分离矩阵W2,否则返回步骤Step 4.1.;

    5)根据公式得到独立分量G为全局矩阵/系统矩阵。若则达
    到了分离(或)恢复源信号的目标,输出分离出的独立分量如图5所示。

    6)提取到重力固体潮信号的各谐波信号分量,将其做频谱分析,其频谱图如图6所
    示,将频谱分析结果与理论值进行对比。

    其中理论频率值来自杜森公式计算得出,如表2所示。所述的频率值单位为赫兹
    (Hz),表1中e表示10的幂次方。

    表2提取的独立成分信号的频谱和理论值频谱的对比


    本算法可将重力固体潮信号成功分离出以下几个谐波状态:半日波信号、日波信
    号、长周期波信号。不但将重力固体潮信号中谐波分量的关系揭示出来且与重力固体潮信
    号的正交分解模型相对应。结合图1,重力固体潮信号的日波体现在F11方向、半日波体现在
    F12方向。年波、半年波等成分体现在F2方向,可以看出F11、F12、F2是相互正交的。结合表2,各
    分量所含的频谱信息与理论值相一致,说明该方法是一种有效的,对重力固体潮信号进行
    正交分析的新方法。

    上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述
    实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前
    提下作出各种变化。

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