《深度学习在引力波探测中的应用综述》

  • 来源专题:空间引力波探测领域
  • 编译者: zmygw
  • 发布时间:2020-12-20
  • 引力波探测是现代科技史上的重要事件。随着引力波探测技术的发展,传统的匹配滤波方法逐渐不符合现代引力波探测的要求,因此寻找新的探测方法势在必行。本文回顾了引力波探测的主要研究成果,分析了深度学习方法在引力波探测中的应用潜力。在引力波信号检测方法中,引入卷积神经网络(CNN)模型的深度滤波方法获得了不低于匹配滤波的识别正确率和大幅提升的处理速度。在进行引力探测数据分析、对信号中的噪声进行识别与分类时,深度学习方法也有着优秀的表现。最后,介绍了利用卷积神经网络实现引力波识别的具体流程。

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    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
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    • 针对空间引力波探测系统对超远距离编队动力学与控制技术提出的挑战,调研分析了空间引力波探测系统所涉及的动力学与控制技术国内外研究现状,包括:超远距离相对动力学、高稳定轨道设计、高精度构形初始化策略与控制、构形重构与维持以及多自由度协调控制等方面。在对相关领域国内外研究现状分析的基础上,提出了空间引力波探测系统在动力学与控制方面需重点解决的关键技术:超远距离编队构形发散机理建模与分析、高稳构形鲁棒优化设计理论与方法、有限机动能力约束下的高精度构形初始化和保持技术、非科学与故障模式下编队姿轨维持策略和多自由度协调控制等。
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    • 中国科学院上海天文台和中国科学院大学等的科研人员在空间引力波探测信号识别领域取得进展。该团队开发出基于深度学习的创新方法,可高效探测和分析空间引力波探测器的极端质量比旋近(EMRIs)信号,将为未来空间引力波探测与数据分析提供参考。相关研究成果在线发表在《中国科学:物理、力学和天文学》上。 自2015年首次探测到引力波以来,地面引力波探测器已探测到超过100例引力波事件。这些地面探测器的探测频段在几十到几百赫兹之间。为探索低频引力波源,科学界正积极筹备空间引力波探测计划。 空间引力波探测的重要目标之一是极端质量比旋近系统。这类系统由一颗恒星级黑洞围绕中心的超大质量黑洞旋转而成。研究EMRIs系统,能够帮助科学家精确检验广义相对论,绘制超大质量黑洞周围的时空图,验证“无毛定理”,有望揭示超大质量黑洞的质量分布及其与宿主星系的共同演化历史。 而EMRI信号的探测和分析面临挑战。这类信号可持续数年之久,且特征复杂、强度微弱,需要大量的计算资源来生成高精度波形模板。传统的匹配滤波和贝叶斯参数估计方法需要海量的EMRI波形模板来覆盖多维参数空间且计算成本高昂。更棘手的是,EMRIs信号的精确建模困难,而传统方法依赖于模板的准确性。 针对上述挑战,该团队创新性地提出了基于深度学习的完整解决方案。在时频域进行信号分析时,团队设计的二层卷积神经网络展现出优异的探测性能。对信噪比50至100范围内的信号,在1%的误报率下可实现96.9%的真实探测率。为验证这一方法的普适性,科研人员进行模板依赖性测试。结果表明,即使注入与训练数据不同模型生成的信号,该方法仍可以保持稳定的探测性能。这表明,该方法对理论模型的依赖程度较低,并提升了实际探测的应用价值。 进一步,在探测到信号后,该团队采用UNet网络在噪声中提取EMRI信号,并通过神经网络实现关键参数的精确估计。超大质量黑洞的质量估计准确率达99%,自旋参数估计准确率达92%。同时,神经网络可以准确预测轨道初始偏心率等参数。这为未来的引力波数据分析提供了新思路。 论文链接 (DOI:10.1007/s11433-024-2500-x)