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《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员开发了数字信号处理在时间序列的频谱估算中的应用方法》

  • 编译者： 张宇
  • 发布时间：2024-10-20

  • 近日，NIST的研究人员提出了一项根据时域中采样的数据进行功率谱密度（PSD）估算的方法。这项工作的动机是研究人员最近开发的数字辐射测量技术，其中辐射光谱是通过处理数字采样信号获得的。PSD 估算可以通过二次估算器来执行，并且估计器的均方误差最小化会生成最佳窗口选择。为了量化数字信号处理中非理想PSD估算的不确定性，研究人员制定了方差和偏差的界限。研究人员还给出了频谱测量的窗口估计值，以便在计算效率和幅度测量精度方面进行比较。最后，研究人员显示了真实数据和模拟数据的一些示例以进行比较。

    相关研究成果已于2024年9月11日发表在《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》期刊上（DOI：10.1109/TIM.2024.3458037）。

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相关报告

  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）发布年龄估算软件评估的首次结果》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-07-06
    • 近日，美国国家标准技术研究院（NIST）的一项新研究评估了一种软件的性能，该软件基于人脸照片中明显的身体特征来估计一个人的年龄。这种基于年龄估计和验证（AEV）的软件可能被用作有年龄限制的活动的“守门人”。 年龄估算已成为美国国内外立法和法规中最近纳入的年龄保证计划中的一项使能技术，这些计划是保护儿童上网的重要组成部分。 NIST的这项新的研究：《面部分析技术评估：年龄估计与验证（NIST IR 8525）》，评估了六种算法的性能，这些算法是开发者在2023年9月征集提交时自愿提供的。根据该研究的作者之一Kayee Hanaoka的说法，结果显示算法具有不同的能力。 “这些算法之间的性能差异很大，整体都有改进的空间，”NIST计算机科学家Hanaoka说。“这是2023年底年龄估计领域的部分快照，但由于AEV性能与人工智能的进步密切相关，我们预计该领域将迅速变化。” 这项新研究是NIST在过去十年中首次涉足AEV评估，并开启了该机构对这项技术进行频繁、定期测试的长期努力。NIST上一次评估AEV软件是在2014年。Hanaoka表示，当时对这项技术的兴趣要小得多，评估是一次性的努力。那次测试使用了来自签证申请的大约600万张照片的单一数据库，并仅要求算法在每张照片上提供年龄估计。 在过去的十年里，时代已经发生了变化。面部分析软件已经变得足够重要，以至于NIST将其面部识别计划分成了两个方向：一个评估算法识别人的能力（面部识别技术评估，或FRTE），另一个评估测量面部特征的能力（面部分析技术评估，或FATE）。新的测试是FATE方向的一部分，该方向还包括专门用于检测照片欺骗和测量图像质量的评估。 NIST的新测试扩展了其照片集合，包含来自四个不同数据库的约1150万张照片，所有这些照片都来自美国政府的资源：2014年使用的签证集合，另外增加了一组FBI的面部照片、一组在边境口岸获得的网络摄像头图像，以及一组来自100多个国家出生的人的移民申请照片。来自数据库的照片在图像质量和反映的年龄、性别和来源地区方面各不相同。所有数据都经过匿名处理，并且研究已经过审查，以保护被拍照对象的权利和隐私。 测试再次评估了算法在年龄估计方面的准确性，但应软件开发者的请求，测试还要求算法指定照片中的人是否超过21岁。该测试是一项“封闭盒子”研究，其中NIST研究人员仅分析了算法的最终性能，而不是它们的内部运作或它们如何得出结果。NIST不对软件是否适合特定用例做出推荐。 Hanaoka表示报告提供了一些初步发现： ·没有单一突出的算法，特定算法的准确性受到图像质量、性别、出生地区、照片中人的年龄以及这些因素之间的相互作用的影响。所有算法在某些特定人群上都有自己的敏感性；在某些群体上表现良好的算法在其他群体上可能表现不佳。 ·自上一份报告以来的十年中，AEV软件有所改进。在使用共同的签证照片数据库（在2014年和当前研究中都使用了该数据库）进行年龄估计时，算法的平均绝对误差已从4.3年减少到3.1年。六种算法中有五种的性能超过了2014年提交的最准确算法。 ·女性面部的错误率几乎总是高于男性。2014年评估的算法也是如此，但背后的原因尚不清楚。 这个测试项目设计为持续进行，研究作者们正在不断地接受新的算法提交。团队计划每四到六周在网站上发布第一轮结果的更新，Hanaoka表示。 她还表示：“我们预计AEV软件领域将迅速变化，我们打算在不久的将来更新和扩展我们的测试方法，”她说。“我们计划让算法回答更多问题，例如如果有同一个人之前的照片可用，是否可能有更好的性能。我们还计划扩大和多样化照片数据库，以更好地覆盖像在线安全这样的应用。”
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员开发了一种新型频率梳，有望进一步提高计时的准确性》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-04-18
    • 被称为频率梳的芯片设备，以无与伦比的精度测量光波的频率，已经彻底改变了计时，探测太阳系外的行星和高速光通信。 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家和他们的合作者已经开发出了一种制造这种梳子的新方法，有望提高它们已经非常精确的精度，并允许它们测量以前无法达到的频率范围内的光。扩大的范围将使频率梳探测细胞和其他生物材料。 这种新设备是在一个小玻璃芯片上制造的，与以前基于芯片的频率梳（也被称为微型梳）的工作方式完全不同。 频率梳就像光的尺子。就像普通尺子上均匀间隔的刻度可以测量物体的长度一样，微梳上均匀间隔的频率尖峰可以测量光波的振荡或频率。 研究人员通常使用三个元素来构建微梳:单个激光器，称为泵浦激光器;一个微小的环形谐振器，最重要的元素;以及在两者之间传输光的微型波导。注入波导的激光进入谐振器并绕环运动。通过仔细调整激光的频率，环内的光可以变成一个孤波——一个在移动时保持其形状的孤波脉冲。 每当孤子绕环转一圈，就会有一部分脉冲分离出来，进入波导。很快，一串类似尖峰的窄脉冲就会填满波导，每个尖峰在时间上间隔相同的固定时间——也就是孤子完成一圈所需的时间。这些尖峰对应于一组均匀间隔的频率，并形成频率梳的刻度或“齿”。 这种产生微梳的方法虽然有效，但只能产生以泵浦激光频率为中心的频率范围内的梳。为了克服这一限制，NIST的研究人员gracimory Moille和Kartik Srinivasan与新西兰奥克兰大学的Miro Erkintalo和Dodd-Walls光子与量子技术中心领导的一个国际研究小组合作，从理论上预测了一种产生孤子微梳子的新过程，然后通过实验证明了这一过程。新方法不是使用单一的激光器，而是使用两个泵浦激光器，每一个都以不同的频率发射光。这两种频率之间复杂的相互作用产生了一个中心频率恰好位于两种激光颜色之间的孤子。 这种方法使科学家能够在不再受泵浦激光器限制的频率范围内制造出具有新特性的梳子。通过产生与注入泵浦激光不同频率的梳状结构，该装置可以让科学家研究生物化合物的组成。 除了这种实际优势之外，这种新型微梳（被称为参数驱动微梳）背后的物理原理可能会导致其他重要的进步。一个例子是与微梳单个齿相关的噪声的潜在改善。 在单激光产生的齿梳中，泵浦激光直接只雕刻中心齿。因此，离梳子中心越远，牙齿就越宽。这是不可取的，因为较宽的牙齿不能像较窄的牙齿那样精确地测量频率。 在新的梳状系统中，两个泵浦激光器塑造每个齿。根据理论，这将产生一组同样窄的牙齿，从而提高测量的准确性。研究人员现在正在测试这一理论预测是否适用于他们制造的微型梳子。 双激光系统提供了另一个潜在的优势:它产生的孤子有两种类型，可以比作有正号或负号。一个特定的孤子是负的还是正的纯粹是随机的，因为它是由两个激光之间相互作用的量子特性产生的。这可能使孤子形成一个完美的随机数生成器，它在创建安全密码和解决一些统计和量子问题方面起着关键作用，否则用普通的非量子计算机是不可能解决的。 研究人员在3月14日的《Nature Photonics》网络版上描述了他们的工作（DOI:  https://doi.org/10.1038/s41566-024-01401-6）。该团队包括来自比利时布鲁塞尔自由大学的franois Leo和他的同事，法国第戎的勃艮第大学的Julien Fatome，以及来自NIST和马里兰大学合作研究的联合量子研究所的科学家。
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