一种基于神经元小世界网络随机共振的弱信号感知方法

文档序号:26007772发布日期:2021-07-23 21:26阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于神经元小世界网络随机共振的弱信号感知方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:

步骤1、构建基于概率随机连接的小世界网络;

小世界网络中的节点按环形规律分布,网络中的每一个节点分别对应于唯一的标号l,l∈[1,n],n为小世界网络的节点总数;标号根据节点在网络中的位置,按顺时针方向依次递增,首尾连接,最终构成一个封闭的环形结构;定义标号为i和j的两个小世界网络节点之间的距离di,j,如式(1)所示,其中|·|表示取绝对值函数;

di,j=min(|j-i|,|n-j+i|),i,j∈[1,n],i≠j(1)

对于标号为i的节点,i∈[1,n],其与标号为j的节点之间按概率pi,j进行随机连接,pi,j按如下规则进行设定;

ifj==mod((i+1),n)

pi,j=1;

else

pi,j=p;

其中mod为取余数函数,p为随机数,p∈[0,1];

步骤2、构建fhn神经元计算模型,将其作为小世界网络的基本节点;其中小世界网络只有一个节点接受外界输入刺激,其节点标号记为in,in∈[1,n],该节点采用的fhn神经元计算模型如式(2)所示;

式中,εv、εw分别表示膜电位和恢复变量的特征时间,其中εv、εw独立设置,从而可灵活改变膜电位势函数势垒以提高势阱间的跃迁概率;vin和ωin分别表示标号为in的节点输出信号和恢复变量;b表示无量纲的正数;isig表示外界输入刺激,对应于需感知的周期弱信号,isig的周期记为tsig;ζ表示均值为0,噪声强度为σ的高斯白噪声;isig、ζ与之和对应于标号为in的节点输入信号,记为sin,即其中为标号为in的节点动态突触互连模式的耦合项,计算过程如式(3)所示;

式中,其中lin,j表示标号为in和j的两个小世界网络节点之间连接关系,lin,j=1或0分别表示上述两个节点之间存在或不存在突触连接;αin,j表示标号为in和j的两个小世界网络节点之间的连接强度,与它们之间的距离din,j成反比,如式(4)所示;

对于小世界网络中标号为i的节点,i∈[1,n],i≠in,它们均不接受外界输入刺激,其fhn神经元计算模型如式(5)所示;

式中,vi、ωi和分别表示标号为i的节点输出信号、恢复变量和动态突触互连模式的耦合项;标号为i的节点输入信号记为si,即其中参考式(3)进行计算;

步骤3、计算小世界网络节点的互相关系数根据式(2)和式(5)计算小世界网络节点的输出vin和vi;其中对于式(2)中的高斯白噪声ζ,设定(m+1)个可能的噪声强度σz=0.01z,z=0,1,...,m,针对某个特定的σz,基于输入与输出信号之间的相关性,计算小世界网络所有节点的互相关系数;

对于in节点,互相关系数计算如式(6)所示;

式中,表示标号为in的节点在tsig时间内输入信号sin的均值;表示标号为in的节点在tsig时间内输出信号vin的均值;

对于小世界网络中标号为i的节点,i∈[1,n],i≠in,互相关系数计算如式(7)所示;

式中,表示标号为i的节点在tsig时间内输入信号si的均值;表示标号为i的节点在tsig时间内输出信号vi的均值;

步骤4、确定最优互相关系数对应的ζ噪声强度σ;在步骤3的基础上,求出不同高斯白噪声强度下,小世界网络中每一个节点的互相关系数,求和并取最大值,具体如式(8)所示;

获取csum最大值时所对应的参数z,从而确定ζ的噪声强度σ=0.01z;

步骤5、获取小世界网络节点优化后的输出v′in和v′i,其中i∈[1,n],i≠in;在步骤4计算得到σ的基础上,舍弃互相关系数过低的异常节点输出信息,得到优化后的输出v′in和v′i,其中i∈[1,n],i≠in;计算过程如式(9)和(10)所示;

式中,threshold表示自适应阈值;

步骤6、确定整个小世界网络的输出,即弱信号感知结果vout;为提高弱信号增强性能的鲁棒性,对小世界网络所有节点的输出信号采用均值融合,得到最终的弱信号感知结果vout,具体如式(11)所示;

式中,kin、ki用来表示小世界网络节点in,以及小世界网络其余节点i的输出是否有效,具体如式(12)和(13)所示;

2.根据权利要求1所述的一种基于神经元小世界网络随机共振的弱信号感知方法,其特征在于:所述的threshold取小世界网络所有节点的互相关系数中值。

3.根据权利要求1所述的一种基于神经元小世界网络随机共振的弱信号感知方法,其特征在于:m取50。


技术总结
本发明公开了一种基于神经元小世界网络随机共振的弱信号感知方法,本发明首先对FHN神经元计算模型的参数设置进行改进,改变传统上出于简便计算的考虑,将膜电位和恢复变量特征时间设置为相同数值的情况。改进后的参数设置方法将增强膜电位势函数势垒,从而提高势阱间的跃迁概率;然后构建包含弱信号输入与背景噪声在内的FHN神经元计算模型,将其设置为小世界网络节点,给出并实现了表征各节点之间关系的动态突触互连规则;对于小世界网络各节点的输出,采用基于互相关系数的均值融合方法,对网络各节点输出进行筛选和信息融合,以提高系统的性能和鲁棒性,从而获得小世界网络系统意义上的弱信号感知效果。

技术研发人员:蔡哲飞;范影乐;房涛;武薇
受保护的技术使用者:杭州电子科技大学
技术研发日:2021.02.02
技术公布日:2021.07.23
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