基于Fisher信息理论的突变检测新方法

自然界许多复杂系统的动力学结构因其受外强迫的作用, 常常会发生与人类生活密切相关的突变. 对突变做出准确预测并采取相应对策的有效途径就是检测. Fisher信息(FI)是一种能够敏锐捕捉并刻画系统变量的概率密度分布发生微小变化的量; 而当系统的动力学结构发生突变时, 来自突变前后两种不同动力学结构的数据其概率密度分布肯定会发生不同程度的改变. 基于此,本文将它用于检测和识别系统动力学结构所发生的突变, 以一种全新的思路来解决突变检测问题. 首先通过理想数据序列展示了使用FI来表征各种不同类型理想信号突变的能力. 进而应用于中国气象局国家气象信息中心“西北地区地面气候资料日值数据集”兰州站1960–2008年日平均气温资料的实际检测中, 结果表明与已有历史记载相符合, 进一步验证了该方法的有效性和实用性. 关键词： Fisher信息 动力学结构 突变检测 概率密度分布     

基于双参数Weibull分布的视频编码率失真模型的研究

对视频序列离散余弦变换(DCT)系数统计分布进行了分析,提出了一种基于Weibull概率密度的视频DCT系数统计模型,该模型较Laplace概率密度与Cauchy概率密度更好地描述了视频序列的DCT特征.随后以该统计模型为基础,依据熵编码的理论分别给出了视频序列的速率-量化关系和失真-量化关系,并根据实际视频序列特性对其进行合理地简化近似,得到一种新的较为精确的视频序列率失真模型.经大量仿真实验证明,文中提出的基于Weibull分布的率失真模型对于Intra帧和Inter帧两种编码的真实视频序列率失真特性都具有较好的描述.     

基于启发式分割算法的气候突变检测研究

气候系统的非线性、多层次性和非平稳性对气候突变的检测方法提出了较高的要求.基于t检 验将非平稳序列分割为多个不同尺度的自平稳子序列，Bernaola Galvan提出的启发式分割 算法(BG算法)，对非平稳时间序列的突变检测效果较好.在BG算法的基础上，通过理想时间 序列验证BG算法处理非平稳时间序列的有效性，并对近2000a北半球树木年轮距平宽度序列 基于不同层次的思想，检测和分析其中包含的各种尺度的气候突变事件，成功地区分不同尺 度的突变.定义的新物理量——突变密度的分析表明，自然因素作用的基础上，人为因素影 响的加剧可能导致近1000a来突变密集段和稀疏段分布失衡，这可能是全球变化的重要表现 之一. 关键词： 气候突变 均值段 突变密度 人为因素 全球变化     

戈壁地区折射率结构常数高度分布的统计特性

通过以系留气球和探空气球为平台的方式, 搭载温度脉动仪在戈壁地区对大气折射率结构常数开展长期测量。对获取的实验数据开展统计分析, 探讨了在白天与夜间折射率结构常数的平均情况、高度分布、偏度与峰度、季节的强弱特性等四个方面的内容, 结果表明:在测量地区, 随高度分布的大气折射率结构常数在白天和夜间的算术平均值和对数平均值的比值会有较大的差异, 并且白天和夜间的对数平均值和标准差系数随高度分布各有其特点, 表现在随高度整体减小的同时会有起伏出现, 尤其是夜间;白天和夜间的偏度与峰度主要表现出右偏和尖峰特性, 在高度分布上有所不同;季节变化对湍流的强弱分布产生明显影响, 集中体现在中性湍流和弱湍流分布情况随高度发生交互变化。     

滑动移除小波分析法在动力学结构突变检验中的应用

标度指数计算的即时性与准确性对相关时间序列的动力学结构突变分析至关重要,然而现有方法在即时性与准确性上一直无法兼顾.将小波分析方法与滑动移除窗口技术相融合,提出一种新的动力学结构突变检测方法——滑动移除小波分析法.通过选取不同的滑动移除窗口,分别对构建的线性、非线性理想时间序列进行动力学结构突变分析,结果表明不论是线性时间序列还是非线性时间序列,滑动移除小波分析能够准确地检测到序列的动力学结构突变点及突变区间,对于滑动移除窗口长度依赖性较小,具有很强的稳定性,而且在计算速度上明显优于滑动移除重标极差和滑动移除方差分析方法,将在大数据处理中具有一定的优势.同时分别对线性、非线性理想时间序列添加高斯白噪声,结果表明滑动移除小波分析具有很强的抗噪能力,能够准确地检测到加噪后序列的突变点.对佛坪站日最高温度实测资料的动力学结构突变的准确检测进一步验证了该方法的有效性.滑动移除小波分析法可为具有相关性的系统动力学结构突变的快速、准确检测提供一种途径.     

集输立管内气水两相流压差信号的特征分析

实验研究了水平段为400 m的长距离集输-立管系统内的空气-水两相流动,观察到四类流型:第一类严重段塞流、第二类严重段塞流、过渡流型以及稳定流动;本文着重对四类不同流型下立管内压差信号进行了详细的特征分析;得到了立管压差随时间的变化速率、频谱特性以及概率密度分布等规律。分析结果表明:四类流型的压差变化速率差别明显,过渡流型立管内压差变化速率最为剧烈,稳定流动压差变化速率最为频繁;严重段塞流流型、过渡流型及稳定流动都有明显主频,但稳定流动频率幅值明显小于其他三类流型;四类流型的概率密度分布有明显区别,一类严重段塞流与稳定流动呈明显的单峰结构,二类严重段塞流呈明显的双峰结构,过渡流型的压差分布范围最广。     

滑动移除重标方差在动力学结构突变检验中的应用

标度指数是一个有效的非线性动力学指数,能够针对相关性时间序列动力学结构突变进行检测;通过滑动窗口技术和滑动移除窗口技术,重标极差对于相关时间序列动力学突变具有很好的检测能力,但由于重标极差方法本身的不完善,在滑动移除窗口较小时其检测结果出现一些虚假的突变点和突变区间.鉴于此,本文提出了一种新的动力学检测方法—–滑动移除重标方差.理想序列数值试验表明,滑动移除重标方差具有很强的稳定性和准确性,在滑动窗口较小时其检测结果没有出现虚假的突变点和区间,实测资料的应用进一步验证了新方法的可靠性.     

基于近似熵的突变检测新方法

近似熵是一个有效的非线性动力学指数,能够用于表征时间序列的复杂性,通过滑动窗口技术,近似熵对于一维时间序列的动力学结构突变具有一定的识别能力,但其突变检测结果依赖于子序列长度的选择,且不能准确定位突变点.鉴于此,本文提出了一种新的突变检测方法——滑动移除近似熵.测试结果表明,滑动移除近似熵具有检测结果稳定性好、准确性高等特点,明显优于滑动近似熵和Mann-Kendall方法,其在实际观测资料中的应用进一步证实了新方法的可靠性. 关键词： 近似熵 滑动移除近似熵 突变检测     

基于投影寻踪的高光谱图像目标检测算法

针对高光谱图像中小目标检测问题,提出了一种投影寻踪结合遗传算法的目标检测方法.该方法采用对异常分布敏感的偏度和峰度作为投影指标,实数编码的加速遗传算法搜索最佳投影方向.利用高光谱数据对所提出的方法进行了实验研究.结果表明,该方法能够快速、可靠的检测出小目标.     

量子环中量子比特内的电子概率密度分布

通过较精确地求解能量本征方程获得量子环中量子比特内的电子概率密度分布。对InAs量子环的数值计算表明:电子概率密度分布与电子的坐标(半径、高度,角度)及时间有关。当其中三个变量给定时,电子概率密度随另一个变量的变化规律分别为:随半径的增大做非周期性振荡;随高度的变化而变化,在半高处出现的概率最大;随角度作周期变化,在角度等于π处出现的概率最大;随时间作周期性振荡。     

一种基于Logistic模型的突变过程性分析方法及其应用

传统突变检测方法往往将突变检测的关键放在"突变点"上而忽略突变事件发生、发展乃至消亡的过程. 本文提出一种新的检测突变过程的方法, 其基于Logistic模型推导出能够反应均值突变过程的分段函数, 利用分段函数对实际时间序列进行参数提取, 借助参数的物理意义, 研究分析完整的突变过程, 从而加深对突变过程性的理解和认识, 为进一步研究突变的形成机理、影响因素乃至发展趋势奠定重要的科学基础. 文章还对太平洋年代际振荡 (PDO) 指数进行突变过程性检测, 发现1940/1942, 1977, 1987年开始序列发生突变, 突变持续时间锁定在某些固定值, 并且系统相图表明一般性系统存在三种基本的状态. 关键词： 均值突变 参数提取 突变过程 突变持续时间     

非线性动力学方法在气候突变检测中的应用

快速、准确的检测气候突变, 对于我们认识气候系统的变化和对未来气候系统演变趋势的预测有着重要的现实意义和社会经济价值. 本文主要回顾了近年来非线性突变检测技术的主要研究进展及其在实际观测资料中的应用, 其中包括基于气候系统长程相关性的检测方法, 如滑动去趋势波动分析方法、滑动移除去趋势波动分析方法、滑动移除重标极差方法和指纹法等; 以及基于时间序列复杂性的检测方法, 如近似熵方法, Fisher信息和小波Fisher信息等. 此外, 本文还指出发展针对空间场的突变检测技术是未来一个可能的发展方向. 由于空间场所包含的气候系统的演变信息远高于单点时间序列, 空间场的突变检测技术将会使得对气候突变的检测时间大大缩短, 从而使得人们有足够的时间去采取行动, 以便为适应气候突变所带来的新挑战做好准备.     

基于Logistic模型的均值突变时间序列临界预警研究

对物理学中的非线性方程——Logistic方程解的稳定性进行分析, 发现当初值和参数取值一定时, 解具有从一种稳定状态突变到另一种稳定状态的特性. 突变的程度和速度与方程的控制参数有关, 可以用定义的突变强度指数来进行描述. 利用方程解的这一特性, 构造满足动力学结构突变的理想时间序列, 模拟气候系统中的均值突变, 考察物理量回复速率和回复力在系统趋近临界阈值时的临界行为, 研究其对系统突变的早期预警能力. 本文还讨论了当系统受到噪声信号干扰时, 回复速率和回复力仍然对系统突变有较好的预警. 最后, 对太平洋年代际振荡(PDO)指数序列进行检测, 检测结果表明早期预警信号出现在1973年前后, 而公认的PDO指数序列的突变发生在1976/1977年, 表明回复速率和回复力在一定程度上可以作为均值突变的早期预警信号.     

基于启发式分割算法检测华北和全球气候变化的特征

全球变化已成为当代科学界瞩目的新领域，气候变化是其研究的核心内容之一，它受到各国政府的极大重视.气候突变是气候变化的重要表现形式之一，目前对气候突变的研究主要针对代用资料，运用传统的统计学方法进行处理，尽管取得了不少进展，但气候系统的非线性、多层次性和非平稳性对分析和检测气候突变的方法提出了较高的要求.众所周知，气候系统可能是由多个不同区域气候子系统构成的复杂体系，因而局地和全球气候变化之间必然存在一定的内在联系，但目前关于这方面研究的理论和方法还较少.介绍了一种适合非线性和非平稳时间序列的突变检测新方法 关键词： 突变 启发式分割算法 人为变率 小冰期 全球变化     

非线性时间序列的动力结构突变检测的研究

基于非线性时间序列分析方法——动力学相关因子指数，提出一种新的动力结构突变的检测方法——动力学指数分割算法.通过理想时间序列试验，验证了该方法检测动力结构突变的有效性，同时发现相对少量的尖峰噪声对该方法的影响较小，但连续分布的随机白噪声对其具有一定的影响，并与传统的滑动T检验法和Yamamoto法进行比较，进而讨论它们各自的优缺点. 关键词： 动力学相关因子指数 动力学指数分割算法 噪声 滑动T检验 Yamamoto法     

一种基于重标极差方法的动力学结构突变检测新方法

提出了一种针对相关性时间序列动力学结构突变检测的新方法——滑动移除重标极差分析.数值试验表明,新方法能够准确的检测出理想序列中的动力学结构突变,其检测结果对于子序列的长度依赖性较小,而且具有很强的抗噪能力,弥补了滑动去趋势波动分析的不足. 关键词： 标度指数 滑动移除重标极差分析 滑动去趋势波动分析 动力学结构突变     

滑动去趋势波动分析与近似熵在动力学结构突变检测中的性能比较

近似熵（ApEn）被认为是一种有效的动力学结构突变检测方法. 将一种新的动力学结构检测方法——滑动去趋势波动分析（MDFA）与ApEn的检测结果进行了比较,检验了新方法的性能. 结果表明,新方法的检测结果几乎不依赖于子序列的长度,而ApEn虽然能在一定程度上识别系统的动力学结构突变,但其检测结果依赖于子序列长度,且不能准确地检测出突变点的位置. 因此,相对于ApEn方法而言,MDFA方法更适合于动力学结构突变检测,其优越性是显而易见的. 关键词： 滑动去趋势波动分析 近似熵 动力学结构突变