2018 Fiscal Year Research-status Report
Method of Gravitational Wave Search Based on Adaptive Time-Frequency Analysis and Machine Learning
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17K05437
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
高橋 弘毅 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (40419693)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋月 拓磨 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40632922)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 宇宙物理学 / 重力波天文学 / 重力波データ解析 / 時間-周波数解析 / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度は、基礎検証フェーズの成果をもとに、提案手法の観測データへの適用、および、定量評価をし応用検証をすすめる準備と位置付け研究を進めた。特に、時間-周波数解析の1つである Hilbert-Huang 変換 (HHT) 解析と機械学習を組み合わせた重力波信号とノイズ識別手法についての検討を進めた。重力波の解析では、重力波信号と検出器ノイズを明確に識別することが最重要である。 HHT解析において、重力波信号が存在している時間部分とノイズのみの部分では瞬時振幅と瞬時周波数の特徴が異なることが分かっていたが、実観測データを扱う前に、シミュレーションデータを用いて、それらの特徴をより詳細に調べた。得られた特徴を用いて、重力波のデータ解析への応用を念頭に置いた、HHTと機械学習の一種である異常検知を組み合わせた手法の構築を進め、その基礎的な部分について論文としてまとめた。
また、超新星爆発からの重力波をターゲットにしたHHT解析と機械学習の一つである深層学習を組み合わせた解析手法にいても基本的な検討を進め、学会などで発表をした。引き続き手法の有効性の検証を進めている。
さらに、超新星爆発から放射される重力波を対象とした Denoising Autoencoder によるノイズ除去についての基礎的検討を開始した。Denoising Autoenoder は、元データに人工的にノイズを加えたデータを入力として、元データを推定するように学習させたニューラル・ネットワークのことであり、音声認識における残響抑制や移動追跡システムにおける画像処理などに応用されている。超新星爆発重力波のモデル信号に対してノイズの低減に成功しており、今後はより現実に近い状況や実観測データでの評価や性能向上に取り組んでいく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
適応型の時間-周波数解析手法である Hilbert-Huang 変換(HHT)を実観測データへ適用する準備としての手法の改良・拡張やHHTと機械学習を組み合わせる検討については、当初の予定どおり進んでおり、国内外の学会や国際会議でもその進展状況を報告している。さらに、論文出版も着実に進めている。
解析プログラムの開発と計算の実行には現有のCPU, GPU計算機を用いているが、その計算機のOSや環境が古くなってきたため、観測データ（数十TBに対応）を保管するストレージを購入する予定であったが、計算機のOSや環境の更新を優先的に行った。
国外の研究協力者との研究打ち合わせについては、電子メールやテレビ会議を利用した打ち合わせの回数を増やし、今のところ研究遂行は順調である。
以上を総合的に考慮し、研究目的を達成するための本研究はおおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
応用検証フェーズとして位置づけている実観測データへの適用検討を進めていく。特に、機械学習の導入について検討を加速させる。これまでの成果をもとに、HHT解析と機械学習を用いた重力波検出のアルゴリズムを、KAGRA のデータ解析ライブラリに組込み、KAGRAの出力するデータに対して、その最適化プロセスの立案・検証、及び、信号雑音比、計算時間、時間分解能および周波数分解能の改善量を評価する。
超新星爆発から放射される重力波を対象とした Denoising Autoencoder によるノイズ除去についての基礎的検討に着手している。超新星爆発重力波のモデル信号に対してノイズの低減に成功しており、今後はより現実に近い状況や実観測データでの評価や性能向上に取り組んでいく。
本年度は本研究の最終年度に当たる。研究結果を総括して、今までに得られた結果、問題点、その解決策については、国際会議「重力波データ解析会議」や論文などにて発表をする。
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| Causes of Carryover |
電子メールやテレビ会議を利用した打ち合わせの回数を増やし、打ち合わせ旅費で使用する予定だった予算を次年度に使用することとしたため。
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[Presentation] Data Analysis of Gravitational Waves from Core Collapse Supernovae with Hilbert-Huang Transform2018
Author(s)
H.Takahashi, Y.Hiranuma, Y.Watanabe, K.Oohara, K.Hayama, N.Kanda, K.Kotake, T.Kuroda, K.Sakai, Y.Sakai,T.Sawada, T.Takiwaki, S.Tsuchida, T.Yokozawa
Organizer
2018 Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop (GWPAW2018), College Park, Maryland,USA
Int'l Joint Research
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[Presentation] Analysis of Standing Accretion Shock Instability of Core Collapse Supernovae with Hilbert-Huang Transform2018
Author(s)
K.Oohara, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Hayama, N.Kanda, K.Kotake, T.Kuroda, K.Sakai, Y.Sakai,T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, T.Yokozawa
Organizer
2018 Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop (GWPAW2018), College Park, Maryland,USA
Int'l Joint Research
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[Presentation] Data Analysis of Gravitational Waves from Core Collapse Supernovae with Hilbert-Huang Transform (II)2018
Author(s)
Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Hayama, N.Kanda, K.Kotake, T.Kuroda, K.Oohara, K.Sakai, Y.Sakai,T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, T.Yokozawa
Organizer
The 28th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG28), Rikkyo University
Int'l Joint Research
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[Presentation] Data Analysis of Gravitational Waves from Core Collapse Supernovae with Hilbert-Huang Transform (I)2018
Author(s)
Y.Hiranuma, Y.Watanabe, K.Hayama, N.Kanda, K.Kotake, T.Kuroda, K.Oohara, K.Sakai, Y.Sakai,T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, T.Yokozawa
Organizer
The 28th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG28), Rikkyo University
Int'l Joint Research
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[Presentation] Data Analysis of Gravitational Waves from Core Collapse Supernovae with Hilbert-Huang Transform (II)2018
Author(s)
Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Hayama, N.Kanda, K.Kotake, T.Kuroda, K.Oohara, K.Sakai, Y.Sakai,T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, T.Yokozawa
Organizer
Deciphering multi-Dimensional nature of core-collapse SN via GW and neutrino signature (SNeGWv2018) in Toyama
Int'l Joint Research
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[Presentation] Data Analysis of Gravitational Waves from Core Collapse Supernovae with Hilbert-Huang Transform (I)2018
Author(s)
Y.Hiranuma, Y.Watanabe, K.Hayama, N.Kanda, K.Kotake, T.Kuroda, K.Oohara, K.Sakai, Y.Sakai,T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, T.Yokozawa,
Organizer
Deciphering multi-Dimensional nature of core-collapse SN via GW and neutrino signature (SNeGWv2018) in Toyama
Int'l Joint Research
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[Presentation] Hilbert-Huang変換を用いた超新星爆発におけるStanding Accretion Shock Instabilityからの重力波解2018
Author(s)
渡邊幸伸, 平沼悠太, 大原謙一, 神田展行, 黒田仰生, 固武慶, 酒井一樹, 坂井佑輔, 澤田崇広, 高橋弘毅, 滝脇知也, 土田怜, 端山和大, 横澤孝章
Organizer
第47回 日本物理学会 新潟支部例会, 新潟大学
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[Presentation] 重力崩壊型超新星爆発からの重力波信号に対するHilbert-Huang変換を用いたデータ解析2018
Author(s)
平沼悠太, 渡邊幸伸, 大原謙一, 神田展行, 黒田仰生, 固武慶, 酒井一樹, 坂井佑輔, 澤田崇広, 高橋弘毅, 滝脇知也, 土田怜, 端山和大, 横澤孝章
Organizer
第47回 日本物理学会 新潟支部例会, 新潟大学
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[Presentation] KAGRAデータ転送・保管系の現状とbKAGRA phase-II以降に向けての準備2018
Author(s)
坂井佑輔, 大原謙一, 神田展行, 佐々井毬花, 上島元, 高橋弘毅, 酒井一樹, 山本尚弘, 田越秀行, 灰野禎一, 井上優貴, Gungwon Kang, Chunglee Kim, Sangwook Bae, on behalf of the KAGRA Collaboration
Organizer
日本物理学会（秋）, 信州大学 松本キャンパス
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