Kombinacija vremensko-frekvencijske analize signala i strojnoga učenja uz primjer u detekciji gravitacijskih valova

This paper presents a method for classifying noisy, non-stationary signals in the time-frequency domain using artificial intelligence. The preprocessed time-series signals are transformed into time-frequency representations (TFrs) from Cohen’s class resulting in the TFr images, which are used as input to the machine learning algorithms. We have used three state-of-the-art deep-learning 2d convolutional neural network (Cnn) architectures (ResNet-101, Xception, and EfficientNet). The method was demonstrated on the challenging task of detecting gravitational-wave (gw) signals in intensive real-life, non-stationary, non-gaussian, and non-white noise. The results show excellent classification performance of the proposed approach in terms of classification accuracy, area under the receiver operating characteristic curve (roC auC), recall, precision, F1 score, and area under the precision-recall curve (PR AUC). The novel method outperforms the baseline machine learning model trained on the time-series data in terms of all considered metrics. The study indicates that the proposed technique can also be extended to various other applications dealing with non-stationary data in intensive noise.Ovaj rad predstavlja metodu klasifikacije šumom narušenih nestacionarnih signala u vremensko-frekvencijskoj domeni korištenjem umjetne inteligencije. Naime, signali u obliku vremenskih nizova transformirani su nakon predobrade u vremensko-frekvencijske prikaze (TFR) iz Cohenove klase, rezultirajući TFR slikama korištenim kao ulaz u algoritme strojnoga učenja. Korištene su tri suvremene metode dubokoga učenja u obliku 2D arhitektura konvolucijskih neuronskih mreža (CNN) (ResNet-101, Xception i EfficientNet). Metoda je demonstrirana na zahtjevnom problemu detekcije signala gravitacijskih valova (GW) u intenzivnom stvarnom i nestacionarnom šumu koji nema karakteristike ni Gaussovog ni bijelog šuma. Rezultati pokazuju izvrsne performanse klasifikacije predloženoga pristupa s obzirom na točnost klasifikacije, površinu ispod krivulje značajke djelovanja prijamnika (ROC AUC), odziv, preciznost, F1-mjeru i površinu ispod krivulje preciznost-odziv (PR AUC). Nova metoda nadmašuje osnovni model strojnoga učenja treniran na podatcima u obliku vremenskih nizova s obzirom na razmatrane metrike. Istraživanje pokazuje da se predložena tehnika može proširiti i na različite druge primjene koje uključuju nestacionarne podatke u intenzivnom šumu