具體描述
內容簡介
本書係統地闡釋瞭各種非綫性卡爾曼濾波器的基本原理及其在信號處理、混沌通信、生物信息學以及傳感器網絡中的應用。全書共10章。首先介紹瞭卡爾曼濾波器等自適應濾波器的基本原理與方法;以容積卡爾曼濾波器為例,討論采用概率密度函數近似這一類非綫性卡爾曼濾波器的增益特性、發展及應用;探討非綫性卡爾曼濾波器在生物信息學、信號處理和混沌通信等領域的應用;然後,就濾波器的陣列算法,重點討論雙非綫性卡爾曼濾波器和反饋型非綫性卡爾曼濾波器的基本原理和方法;最後,針對非綫性卡爾曼濾波器的其他形式,詳細討論瞭一類非綫性卡爾曼信息濾波器的原理及其穩定性分析;將非綫性卡爾曼濾波器與粒子濾波器相結閤構成另一類非綫性濾波器,詳細討論這類非綫性濾波器在傳感器網絡中的各種應用。 作者簡介
2012年8月至2013年8月在香港理工大學從事副研究員研究工作。科研項目(1)國傢自然科學基金項目:求容積分卡爾曼濾波器的數值穩定算法探索及其在混沌通信中的應用.(項目編號:61101232,2012.1-2014.12,項目負責人)(2)中央高校基本科研業務費專項重點項目:基於數值積分方法的貝葉斯濾波理論探索及其在目標跟蹤中的應用(項目編號:XDJK2014B001:2014.1-2016.12,項目負責人)(3)中央高校基本科研業務費專項:基於Cubature卡爾曼濾波器的混沌通信係統的研究.(XDJK2010C024),2010.8-2012.7,項目負責人,已結題)(4)西南大學博士基金:求容積分卡爾曼濾波算法的研究及其應用.(SWU111027,2011.10-2014.9,項目負責人)(5)國傢自然科學基金:基於糾錯編碼理論的最小基因組設計方法的研究。(項目編號:61001157,2011.1-2013.12,第二主研)(6)國傢自然科學基金:基於MEMS光交叉的二維反饋迭代函數係統的全光實現.(61071190,2011.1-2013.12,第三主研) 目錄
第1章 自適應濾波器基本原理 1
1.1 引言 1
1.2 自適應濾波器 2
1.3 最小均方誤差 4
1.4 最小均方自適應濾波器 6
1.4.1 最速下降法 6
1.4.2 最小均方自適應濾波 7
1.5 遞歸最小二乘自適應濾波器 8
1.5.1 最小二乘法 8
1.5.2 遞歸最小二乘法 9
1.6 卡爾曼濾波器 10
1.7 粒子濾波器 12
1.8 本章小結 13
參考文獻 13
第2章 卡爾曼濾波器原理及分類 15
2.1 引言 15
2.2 綫性連續係統的離散化 15
2.3 綫性離散卡爾曼濾波器 17
2.3.1 貝葉斯濾波理論 17
2.3.2 綫性最小方差估計 18
2.4 非綫性離散卡爾曼濾波器 22
2.4.1 非綫性函數的近似 25
2.4.2 概率密度函數的近似 31
2.5 本章小結 36
參考文獻 36
第3章 容積卡爾曼濾波器 39
3.1 引言 39
3.2 數值積分 39
3.3 容積積分準則 44
3.3.1 積分坐標變換 44
3.3.2 球麵-徑嚮準則 45
3.3.3 徑嚮準則 49
3.3.4 容積準則 51
3.4 矩陣分解 55
3.5 球麵-徑嚮容積卡爾曼濾波器 57
3.5.1 濾波算法 57
3.5.2 收斂性分析 64
3.5.3 仿真分析 66
3.6 球麵單純形-徑嚮容積卡爾曼濾波器 71
3.6.1 濾波算法 71
3.6.2 仿真分析 72
3.7 本章小結 75
參考文獻 76
第4章 非綫性卡爾曼濾波算法的增益特性 78
4.1 引言 78
4.2 狀態空間模型及特性 78
4.3 標量先導卡爾曼濾波算法及其增益特性分析 83
4.3.1 濾波算法 83
4.3.2 卡爾曼增益特性的理論分析 84
4.3.3 仿真分析 88
4.4 標量容積卡爾曼濾波算法及其增益特性分析 91
4.4.1 濾波算法 91
4.4.2 卡爾曼增益特性的理論分析 92
4.4.3 仿真分析 93
4.5 本章小結 95
參考文獻 96
第5章 非綫性卡爾曼濾波器係列的應用 97
5.1 引言 97
5.2 基因識彆 99
5.2.1 研究現狀 99
5.2.2 基於符號動力學的DNA序列錶示方法 102
5.2.3 基於非綫性卡爾曼濾波器的基因識彆 110
5.3 混沌信號的濾波與混沌通信 117
5.3.1 混沌 117
5.3.2 混沌的定義 117
5.3.3 混沌的主要特徵 119
5.3.4 基於混沌的通信 124
5.3.5 仿真分析 129
5.4 盲信號分離 143
5.4.1 盲信號分離問題概述 143
5.4.2 基於卡爾曼濾波器的盲信號分離算法 145
5.4.3 基於非綫性卡爾曼濾波器的盲信號分離算法 151
5.5 本章小結 162
參考文獻 162
第6章 雙非綫性卡爾曼濾波器係列 167
6.1 引言 167
6.2 雙非綫性卡爾曼濾波器 168
6.2.1 狀態估計 168
6.2.2 參數估計 172
6.2.3 雙估計 173
6.3 仿真分析 174
6.3.1 信道均衡 174
6.3.2 通信 181
6.4 本章小結 188
參考文獻 188
第7章 非綫性卡爾曼濾波器陣列算法 190
7.1 引言 190
7.2 濾波器陣列 191
7.2.1 係統模型 191
7.2.2 反饋型先導卡爾曼濾波器陣列算法 192
7.2.3 反饋型平方根先導卡爾曼濾波器陣列算法 195
7.3 仿真分析 197
7.3.1 兩用戶通信 197
7.3.2 多用戶通信 202
7.4 本章小結 203
參考文獻 204
第8章 非綫性卡爾曼信息濾波器 206
8.1 引言 206
8.2 矩陣求逆引理 206
8.3 兩種信息矩陣的更新 207
8.4 擴展卡爾曼信息濾波器 209
8.5 非綫性信息濾波器 210
8.5.1 一類非綫性信息濾波器 211
8.5.2 平方根非綫性信息濾波器 214
8.5.3 穩定性分析 218
8.6 仿真分析 224
8.6.1 穩定性仿真 224
8.6.2 軌跡跟蹤 229
8.7 本章小結 232
參考文獻 232
第9章 傳感器網絡中的信號盲分離 234
9.1 引言 234
9.2 傳感器網絡中的信號盲分離 236
9.2.1 盲分離模型 236
9.2.2 信號量化 238
9.2.3 盲分離算法 243
9.2.4 算法復雜度分析 246
9.2.5 仿真分析 246
9.3 本章小結 250
參考文獻 251
第10章 傳感器網絡中的信號重構 253
10.1 引言 253
10.2 傳感器網絡中的信號重構 254
10.2.1 信號重構模型 254
10.2.2 信號量化 255
10.2.3 信號重構算法 256
10.2.4 算法復雜度分析 259
10.2.5 仿真分析 259
10.3 本章小結 263
參考文獻 263 前言/序言
《高斯過程迴歸:理論、算法與應用》 一、 什麼是高斯過程迴歸? 高斯過程迴歸(Gaussian Process Regression, GPR)是一種強大而靈活的非參數貝葉斯模型,用於解決迴歸問題。它通過定義一個定義在函數空間上的概率分布來處理數據,而不是像傳統迴歸方法那樣假設一個固定的函數形式。具體來說,高斯過程將待建模的未知函數看作是從一個高斯過程中抽取的一個樣本。 高斯過程由其均值函數和協方差函數(也稱為核函數)完全確定。均值函數描述瞭函數在不同點的期望值,而協方差函數則描述瞭函數在不同點之間的相關性。這種相關性是高斯過程迴歸的核心,它能夠捕捉到數據中的平滑度和局部結構。 二、 高斯過程迴歸的核心理論 1. 高斯過程的定義: 一個隨機變量的集閤 ${Y(x) | x in X}$ 被稱為一個高斯過程,如果對於任意有限的輸入點集閤 ${x_1, x_2, ldots, x_n} subset X$,對應的函數值 ${Y(x_1), Y(x_2), ldots, Y(x_n)}$ 服從一個聯閤高斯分布。 這個聯閤高斯分布由以下兩個部分定義: 均值函數 $m(x)$: $E[Y(x)] = m(x)$,它描述瞭函數在輸入 $x$ 處的期望值。在許多應用中,為瞭簡化模型,我們通常假設均值函數為零,$m(x) = 0$。 協方差函數 $k(x, x')$: $Cov[Y(x), Y(x')] = k(x, x')$,它描述瞭函數在輸入 $x$ 和 $x'$ 處的值之間的協方差。這個函數是高斯過程迴歸的核心,它決定瞭函數的光滑度、周期性、衰減特性等。 2. 條件概率分布: 給定一組訓練數據點 ${(x_i, y_i)}_{i=1}^n$,其中 $y_i = Y(x_i) + epsilon_i$,$epsilon_i$ 是獨立同分布的高斯噪聲,方差為 $sigma^2$,即 $epsilon_i sim mathcal{N}(0, sigma^2)$。 我們可以將訓練數據錶示為嚮量形式: $mathbf{y} = [y_1, y_2, ldots, y_n]^T$ $mathbf{X} = [x_1, x_2, ldots, x_n]^T$ (如果 $x_i$ 是標量) 或 $mathbf{X} = [x_1^T, x_2^T, ldots, x_n^T]^T$ (如果 $x_i$ 是嚮量) 令 $mathbf{K}$ 為一個 $n imes n$ 的協方差矩陣,其中 $mathbf{K}_{ij} = k(x_i, x_j)$。 令 $mathbf{k}_ = [k(x_, x_1), k(x_, x_2), ldots, k(x_, x_n)]^T$ 為在測試點 $x_$ 和所有訓練點之間的協方差嚮量。 令 $k_{} = k(x_, x_)$ 為在測試點 $x_$ 自身的協方差。 如果均值函數為零,並且考慮瞭噪聲,那麼聯閤分布為: $$ egin{bmatrix} mathbf{y} \ Y(x_) end{bmatrix} sim mathcal{N} left( mathbf{0}, egin{bmatrix} mathbf{K} + sigma^2 mathbf{I} & mathbf{k}_ \ mathbf{k}_^T & k_{} end{bmatrix}
ight) $$ 其中 $mathbf{I}$ 是單位矩陣。 根據高斯分布的條件概率性質,給定訓練數據 $mathbf{y}$,測試點 $x_$ 處的函數值 $Y(x_)$ 的後驗分布是另一個高斯分布: $$ Y(x_) | mathbf{X}, mathbf{y}, x_ sim mathcal{N}(mu(x_), Sigma(x_)) $$ 其後驗均值和方差為: $$ mu(x_) = mathbf{k}_^T (mathbf{K} + sigma^2 mathbf{I})^{-1} mathbf{y} $$ $$ Sigma(x_) = k_{} - mathbf{k}_^T (mathbf{K} + sigma^2 mathbf{I})^{-1} mathbf{k}_ $$ 這就是高斯過程迴歸進行預測的核心公式。後驗均值 $mu(x_)$ 提供瞭對未知函數在 $x_$ 處值的最佳估計,而後驗方差 $Sigma(x_)$ 則量化瞭預測的不確定性。 3. 協方差函數的選擇 (核函數): 核函數是高斯過程迴歸的靈魂,它決定瞭模型的行為。不同的核函數可以捕捉到不同類型的數據模式。常用的核函數包括: 平方指數核 (Squared Exponential Kernel / RBF Kernel): $k(x, x') = sigma_f^2 expleft(-frac{|x - x'|^2}{2l^2}
ight)$ 這是一個非常常用且平滑的核函數,能夠捕捉到幾乎所有可微的函數。$sigma_f^2$ 控製瞭函數的幅度,而 $l$ (長度尺度) 控製瞭函數的光滑度和變化速度。 Matern 核: $k(x, x') = sigma_f^2 frac{2^{
u}}{Gamma(
u)} left(frac{sqrt{2
u}|x - x'|}{l}
ight)^
u K_
uleft(frac{sqrt{2
u}|x - x'|}{l}
ight)$ 其中 $Gamma$ 是伽馬函數, $K_
u$ 是修正貝塞爾函數。Matern 核族比平方指數核更通用,通過調整參數 $
u$,可以控製函數的平滑度。當 $
u = infty$ 時,Matern 核收斂於平方指數核。當 $
u = 1/2$ 時,對應於指數核,它描述的是馬爾可夫過程,函數不一定可微。當 $
u = 3/2$ 時,函數一階可微。當 $
u = 5/2$ 時,函數二階可微。 周期核 (Periodic Kernel): $k(x, x') = sigma_f^2 expleft(-frac{2 sin^2(frac{pi|x - x'|}{p})}{l^2}
ight)$ 這個核函數可以捕捉到具有周期性模式的數據。$p$ 控製瞭周期。 綫性核 (Linear Kernel): $k(x, x') = sigma_0^2 + sigma_w^2 (x - c)^T (x' - c)$ 適閤捕捉綫性趨勢。 組閤核: 可以通過綫性組閤或乘積的方式組閤不同的核函數,以捕捉更復雜的函數行為。例如,一個周期核與一個平方指數核相加,可以建模一個周期性的信號疊加一個非周期性的平滑擾動。 4. 超參數優化: 核函數通常包含一些超參數(如 $sigma_f^2$, $l$, $sigma^2$ 等)。這些超參數的取值對模型的性能至關重要。通過最大化觀測數據的邊際對數似然函數來學習這些超參數: $$ log p(mathbf{y}|mathbf{X}) = -frac{1}{2} mathbf{y}^T (mathbf{K} + sigma^2 mathbf{I})^{-1} mathbf{y} - frac{1}{2} log|mathbf{K} + sigma^2 mathbf{I}| - frac{n}{2} log(2pi) $$ 通常使用梯度下降等優化算法來求解。 三、 高斯過程迴歸的算法實現 1. 預測: 計算後驗均值和方差的步驟如下: 計算協方差矩陣 $mathbf{K}$ 和 $mathbf{k}_$。 計算 $(mathbf{K} + sigma^2 mathbf{I})^{-1}$。這是一個 $n imes n$ 的矩陣求逆操作,計算復雜度為 $O(n^3)$。 利用該逆矩陣和 $mathbf{k}_, mathbf{y}$ 計算後驗均值和方差。 2. 超參數優化: 計算邊際對數似然函數。 計算其梯度,以便進行優化。 使用例如共軛梯度法 (Conjugate Gradient) 或 L-BFGS 等優化算法更新超參數。 3. 潛在的計算瓶頸: 高斯過程迴歸最主要的計算瓶頸在於矩陣求逆和矩陣乘法,其復雜度與訓練數據點的數量 $n$ 呈立方關係 ($O(n^3)$) 進行預測,以及 $O(n^2)$ 進行超參數更新。當訓練數據量較大時,直接計算會變得非常緩慢,甚至不可行。 4. 應對大規模數據的近似方法: 為瞭解決計算復雜度問題,許多近似方法被提齣,主要可以分為以下幾類: 稀疏高斯過程 (Sparse Gaussian Processes): 引入一組“僞輸入點”或“僞觀測點”,通過對這些僞點進行建模,來近似原始的高斯過程。常見的有 FITC (Fully Independent Training Conditional), VFE (Variational Free Energy) 等。 低秩近似 (Low-Rank Approximations): 利用核矩陣的低秩性質,通過分解或截斷來近似計算。 基於分解的方法: 將高斯過程的計算分解到子區域或局部模型上。 隨機特徵法 (Random Feature Methods): 將高斯過程錶示為大量隨機基函數的綫性組閤,從而將非參數模型轉化為參數模型,降低計算復雜度。 四、 高斯過程迴歸的應用領域 高斯過程迴歸的強大能力和靈活的建模方式使其在眾多領域得到瞭廣泛的應用: 1. 機器學習和模式識彆: 迴歸任務: 作為一種通用的迴歸器,可以直接應用於各種迴歸問題。 分類任務: 可以通過集成學習或轉化為概率分類器來解決分類問題。 降維和特徵學習: 用於學習數據的潛在錶示。 2. 機器人學和控製: 運動規劃: 學習機器人運動的動力學模型,進行安全和最優的運動規劃。 模型預測控製 (MPC): 建立精確的係統模型,用於預測和控製。 傳感器數據融閤: 融閤來自不同傳感器的信息,進行狀態估計。 軌跡優化: 優化機器人執行特定任務的軌跡。 3. 科學和工程: 地球科學: 地質建模、地震預測、氣候變化建模。 材料科學: 預測材料性能、設計新材料。 物理學: 粒子物理實驗數據分析、場論建模。 生物醫學: 基因錶達分析、藥物發現、疾病建模。 金融工程: 資産定價、風險管理、時間序列預測。 計算機圖形學: 形狀建模、紋理閤成。 4. 優化問題: 貝葉斯優化 (Bayesian Optimization): 高斯過程迴歸是貝葉斯優化的核心組件,用於高效地優化昂貴的黑盒函數,例如超參數調優、實驗設計、機器人控製策略搜索等。貝葉斯優化利用高斯過程的後驗均值和方差來指導搜索過程,平衡探索和利用。 5. 環境監測和預測: 空氣質量預測: 基於曆史數據和氣象信息,預測未來的空氣質量。 水文建模: 預測水位、降雨量等。 噪聲建模: 估計和預測環境中噪聲的傳播。 五、 高斯過程迴歸的優點和局限性 優點: 提供不確定性估計: 高斯過程迴歸的輸齣不僅僅是一個點估計,還伴隨著一個量化的不確定性度量(後驗方差),這在許多需要風險評估的應用中至關重要。 非參數模型: 無需預先假設數據遵循特定的函數形式,能夠自適應地學習數據的復雜結構。 靈活的核函數: 可以通過選擇和組閤不同的核函數來捕捉各種數據特性,如平滑度、周期性、衰減等。 貝葉斯框架: 具備貝葉斯推斷的優點,能夠方便地進行模型更新和信息融閤。 在小數據集上錶現良好: 在數據量較少時,通常比許多參數模型錶現更優。 局限性: 計算復雜度高: 對於大規模數據集,直接的 $O(n^3)$ 預測和 $O(n^2)$ 更新復雜度是主要障礙。 核函數選擇睏難: 選擇閤適的核函數需要一定的經驗和領域知識。 對高維數據敏感: 在非常高的維度空間中,核函數的有效性可能會下降(維度災難)。 模型解釋性相對較弱: 相較於綫性模型等,高斯過程的內部工作機製(尤其是核函數)的直觀解釋性可能不如參數模型。 六、 結論 高斯過程迴歸作為一種強大的貝葉斯非參數迴歸方法,憑藉其靈活的建模能力和豐富的理論基礎,在眾多科學與工程領域展現齣巨大的潛力。雖然在處理大規模數據集時存在計算挑戰,但不斷發展的近似方法正在不斷拓展其應用邊界。深入理解高斯過程迴歸的原理、掌握各類核函數的特性及其在不同應用場景下的選擇,對於構建更精確、更魯棒的預測模型至關重要。