9 research outputs found
Blind identification of bilinear systems
Journal ArticleAbstract-This paper is concerned with the blind identification of a class of bilinear systems excited by non-Gaussian higher order white noise. The matrix of coefficients of mixed input-output terms of the bilinear system model is assumed to be triangular in this work. Under the additional assumption that the system output is corrupted by Gaussian measurement noise, we derive an exact parameter estimation procedure based on the output cumulants of orders up to four. Results of the simulation experiments presented in the paper demonstrate the validity and usefulness of our approach
Recommended from our members
Advanced robust non-invasive foetal heart detection techniques during active labour using one pair of transabdominal electrodes
The thesis proposes and evaluates three state-of-the-art signal processing techniques to detect fetal heartbeats within each maternal cardiac cycle, during labour contractions, using only a pair of transabdominal electrodes. The first and second techniques are, namely, the structured third- order cumulant-slice-template matching and the bispectral-contours-template matching for fetal QRS identification, respectively. The third technique is based on the modified and appropriately weighted spectral multiple signal classification (MUSIC) with incorporated covariance matrix for uterine contraction noise-like interfering signals also contaminated with noise. Essentially, two modifications to the standard MUSIC have been developed in order to enhance the performance of the spectral estimator in our applied work. The first modification involves the introduction of an optimised weighting function to the segmented ECG covariance matrix, and is chiefly aimed at enhancing the fetal QRS major spectral peak which occurs at around 30 Hz against the mother QRS major spectral peak usually occurring around 17 Hz and all other noise contributions. Additional optional pseudo-bispectral enhancement to sharpen the maternal and fetal spectral peaks, in particular when the mother and fetal R-waves are temporally coincident, have been achieved. The second modification to the spectral MUSIC is the removal of the unjustified assumption that only white Gaussian noise is present and the incorporation of the actual measured labour uterine contraction covariance matrix in reconfigured subspace analysis. This inevitably leads to the generalised eigenvectors - eigenvalues decomposition modern signal processing. This is now coined the modified, interference incorporated pseudo-spectral MUSIC. The above mentioned first and second techniques are higher-order statistics-based (HOS) and hybrid involving both signal processing and NN classifiers. The third technique is second-order statistics-based (SOS). In all techniques, the removal of signal non-linearity with the aid of non-linear Volterra synthesisers plays a crucial part in the fetal detection integrity.
Accurately assessed fetal heart classification rates as high as 95% have been achieved during labour, thus helping to provide non-invasive transparency to fetal intrapartum welfare. Performance analysis and evaluation processes involved more than 30 critical cases classified as “fetal under stress in labour” recorded in a London hospital database and used both transbadominal ECG electrodes and fetal scalp electrodes. The latter facilitates detection of the instantaneous fetal heart rate which is then used as the Reference Fetal Heart Rate in the assessment of the classification rate of each of the above mentioned techniques. It will be shown that the fetal heartbeats are completely masked by uterine activity and noise artefacts in all the recorded transabdominal maternal ECG signals. The fetal scalp electrode was, therefore, deemed necessary to provide the highest accurate measure of fetal heart functionality (from the hospital viewpoint), and in the assessment of the three non-invasive techniques presented in this thesis. The techniques may also be used during gestation and as early as 10 weeks
Recommended from our members
The Application of Adaptive Linear and N on-Linear Filters to Fringe Order Identification in White-Light Interferometry Systems
Conventional optical interferometry systems driven by highly coherent light sources have a very short unambiguous operating range, a direct consequence of the flatness of the interference fringes visibility profile at the output of the system.
The range can be extended by using a white-light interferometer (WU), which is driven by a low-coherence source and produces a Gaussian visibility profile with a unique maximum in correspondence of the central fringe.
Due to system and/or measurement noise, however, the position of the maximum (from which an accurate measurement of the measurand - displacement, temperature, pressure, flow, etc. - can be derived) is not easily detectable, and can lead to large measurement errors. This is especially true in a multiplexing scheme, where the source power is distributed evenly among various sensors, with a corresponding drop in the overall signal-to-noise ratio. The inclusion of a signal processing scheme at the receiver end is thus a necessity.
As the fringe pattern at the output of a WLI system is basically a noisy sine wave amplitude modulated by a Gaussian envelope, it can be classified as a non-stationary, narrow-band, linear but non-Gaussian signa\. So far, no attempt has been made to apply digital filtering techniques, as understood in the signal processing community, to the output signal of a WLI system. This thesis constitutes a first step in that direction.
Since the only measurable information given by the system is contained in the output signal, the system is modelled as a "black box" driven by the system and measurement noise processes and containing an unknown set of parameters. Standard least squares techniques can then be applied to estimate the parameters of the model, as is usually done in the field of system identification when only noisy output measurements are available.
It is shown that identification of the model parameters is equivalent to finding a set of coefficients for an inverse filter which takes the WU signal at its input and delivers the unknown noise process at the output.
The non-stationarity of the signal is accounted for by allowing for time variations of the model parameters; this justifies the use of adaptive filters with time-varying coefficients. A new central fringe identification scheme is proposed, based on a modification of the standard least mean square (LMS) adaptive filtering algorithm in combination with amplitude thresholding of the fringe pattern. The new scheme is shown to offer considerable improvement in the identification rate when tested against current schemes over comparable operating ranges, while retaining the computational simplicity and operational speed of the standard LMS. Its performance is also shown to be largely independent of the step-size parameter controlling the rate of convergence and tracking in the standard LMS, which is known to be the main obstacle for a successful application of the algorithm in a practical setting.
The non-Gaussianity of the signal is explored and an attempt is made to apply higher-order statistics (HOS) algorithms to central fringe identification. The effectiveness of Gaussianity tests on pilot Gaussian data is seen to depend not only on the number and length of records available but, perhaps more importantly, on the bandwidth of the process. Violation of the stationarity assumption is shown to lead to mis-classification of a seemingly non-Gaussian signal into a Gaussian one, as the visibility profile may alter the distribution of the underlying sinusoid making it appear Gaussian, even when beam diffraction and wavefront aberrations combine to produce a nonGaussian profile. HOS-based adaptive algorithms may still be of some benefit, however, if processing is confined to that region of the fringe pattern where sufficient non-Gaussianity is allowed to develop.
Non-linear adaptive filters based on the Volterra theories are finally applied to compensate for possible non-linearities introduced by mismatches in optical components, chromatic aberrations, and analogue-to-digital converters. It is shown that although a Volterra filter is able to reproduce the low-amplitude distortions of the fringe pattern better than a linear filter does, the identification rate does not improve. Reasons are given for such behaviour
Variational inference for stochastic processes
PhD ThesisStochastic process models such as stochastic differential equations (SDEs), state-space models
(SSMs), Gaussian processes (GPs) and latent force models (LFMs), provide a powerful
collection of modelling techniques to better our understanding of many physical systems. In
treating these models within the Bayesian paradigm, we further yield a rich expression of
our uncertainty, and gain the ability to incorporate our prior beliefs. However, performing
Bayesian posterior inference is not without significant challenge. Exact likelihood calculations
can often be intractable, take an infeasibly long time to compute, or be challenging to
approximate in the presence of missing data. Therefore, designing new approaches to perform
Bayesian inference for this family of stochastic process models is of great scientific interest.
Variational inference (VI) has had great success is scaling Bayesian inference across a range of
problem domains. Historically, however, its successful application to stochastic process models
has been limited. The reason is two-fold. Firstly, mini-batch likelihood estimation techniques
often employed by VI have only previously been applicable to models of independent data.
Secondly, approximating distributions have often imposed unrealistic assumptions over the
posterior. Fortunately, however, recent advances in generative modelling have provided
the framework with which to solve these problems. Here, artificial neural networks can be
used to flexibly construct powerful density approximations, which are then amenable to fast
computation using modern GPUs. This is otherwise known as black-box-variational inference.
This thesis presents a collection of black-box variational methods for the purposes of approximate inference in SDEs, SSMs, GPs and LFMs. Here we leverage artificial neural networks
to parametrise our approximate posterior distributions, permitting accurate inference in a
short time. We begin by presenting two methods for SDE inference. The first, inspired by
the Euler-Maruyama discretisation, approximates the discrete-time solution to a conditioned
diffusion process using recurrent neural networks. The second, which extends the first, eschews a discretisation scheme and approximates the continuous-time process directly. Finally
we consider the use of normalising flows for inference using SSMs (including discrete-time
SDEs), GPs and LFMs. Here we design a generative architecture that permits mini-batch
optimization, allowing approximate inference for big dat
Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche
La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini.
Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume
Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche
La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini.
Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume