基于幅度形态与参数聚类的工作模式判别

小许同学记录成长

395人浏览 · 2026-05-12 17:59:51

小许同学记录成长 · 2026-05-12 17:59:51 发布

基于幅度形态与参数聚类的工作模式判别

一、工程目标与总体架构

解决的是：在缺少实时成像链与原始回波相位的前提下，仅凭分脉冲汇总后的参数行与幅度序列，对观测段给出条带、聚束，并在双文件场景下给出疑似同一观测/重复观测/干涉候选（。

整体分为三层：

数据门禁：列完整性、业务筛选、数值有效性（fc/pri/pw/amp 有限且 PRI、PW>0）。
分组层：决定哪些行构成一段可比的幅度时间序列——或按密度聚类、或按单源稳定球壳、或按 fc 锚点时间扩展。
模式层：对每一段归一化幅度序列，用两种可解释包络模型拟合，以 BIC 差 为主证据，按 mode_rule 决定是否叠加幅度形态/斜率等门控，输出条带/聚束/未知。

要点：条带/聚束判别与射频/重频聚类特征解耦——聚类或筛选只用 [fc, log_pri, log_pw]，模式判别只用该段内的 幅度 列。

二、论文对齐点与边界

代码在簇级判别注释中引用 Kass & Raftery (1995)。论文核心之一是：模型比较可用 Bayes factor，而大样本下 BIC 与边际似然比存在常用近似；其经验表对 (2\ln B) 给出弱/正向/强/很强等分档（典型门槛约 2、6、10）。

本实现中：

对每个模型用 RSS 构造 (\mathrm{BIC}=n\ln(\mathrm{RSS}/n)+p\ln n)（见 _bic_from_rss），两模型 BIC 之差作为相对证据；
默认 bic_weak=2、bic_strong=6，与论文常用的 2 / 6 分档在工程上对齐；
mode_rule="delta_bic_only" 时，(|\Delta\mathrm{BIC}|<\texttt{bic_weak}) 直接判未知，对应论文「证据不足以支持取舍」的保守态度。

边界：幅度序列为时序相关样本，独立同分布假定不严；两模型非严格嵌套；多簇多重比较未校正。故「BIC 差」宜表述为启发式证据强度，不宜写成严格 Bayes 后验优势。

三、公共预处理与特征构造

3.1 读入与硬约束列

REQUIRED_COLUMNS 含：处理时间、射频最值、重频类型、PRI 最值、PW 最值、脉内特征、幅度。缺列直接异常退出。

3.3 特征 `build_features`

fc = (射频最小+射频最大)/2，pri、pw 同理；amp 为幅度。
log_pri = log10(max(pri,ε))，log_pw 同理，供聚类/距离用，减轻数量级支配。
valid：上述标量均有限且 pri>0、pw>0。

后续 method 不同，但模式层共用 normalize_amp_shape、fit_slow_model、fit_single_peak_model、_classify_mode_by_rule。

3.4 幅度归一化 `normalize_amp_shape`

对有限幅度取 5% 与 95% 分位 截幅，再线性映射到 [0,1]，抑制偶发尖峰对最小二乘与 BIC 的支配。若退化（高低分位相等）则返回零序列。

四、条带 / 聚束的统计—物理联合判别

对每一段参与判别的 amp01（长度一般为该簇或该稳定段内有效脉冲数，至少受 min_group_size_for_mode 约束）：

4.1 聚束倾向模型（低斜率稳定照射）

fit_slow_model：在 (x\in[0,1]) 均匀网格上拟合
[
A(x)=b+s(x-0.5)
]
最小二乘得 RSS，(p=2)，(\mathrm{BIC}_{slow}=n\ln(\mathrm{RSS}/n)+2\ln n)。

物理解释（工程叙述）：聚束长时间指向目标时，在包络意义上常表现为近似平台或缓变，用低次线性表征「无尖锐单峰包络」。

4.2 条带倾向模型（单峰包络）

条带扫描时，回波包络在照射几何上常出现进入—中心亮—离开的单峰形（实现为可正可负幅度的「鼓包」基函数；后续物理门控要求 (a>0) 才走向条带强结论）。

4.3 证据方向

定义
[
\Delta\mathrm{BIC}=\mathrm{BIC}{slow}-\mathrm{BIC}{peak}.
]

(\Delta\mathrm{BIC}>0)：在「残差 + 复杂度」意义下 单峰模型更优 → 统计上倾向条带。
(\Delta\mathrm{BIC}<0)：低斜率模型更优 → 统计上倾向聚束。

因峰模型多 2 个有效参数，\(\mathrm{BIC}\) 对峰模型有 2\ln n 的额外惩罚，避免「随便加个高斯基就赢」。

4.4 `mode_rule` 分叉

（1）physical（默认） — _classify_mode_from_evidence

在 (\Delta\mathrm{BIC}) 达到弱/强阈值（相对 bic_weak/bic_strong）基础上，再要求：

条带侧：峰幅 (a>0)；(\sigma) 在 [peak_sigma_min, peak_sigma_max]；(\mu) 是否远离两端（peak_mu_margin，避免「只截到半边包络」仍强判条带）；组合出 强/边/底线 三级物理门控。
聚束侧：(|s|\le\texttt{slow_slope_limit})；幅度 robust_rel_iqr(amp)（相对中位数的 IQR）≤ flat_rel_iqr_limit 视为幅度稳定，组合强/边/底线。

未落入任一合法组合 → mode="未知"，reason 汇总 (\Delta\mathrm{BIC},a,\sigma,\mu,|s|), 相对 IQR。

（2）delta_bic_only — _classify_mode_from_delta_bic_only

(|\Delta\mathrm{BIC}|<\texttt{bic_weak}) → 未知。
否则按 (|\Delta\mathrm{BIC}|) 分 低/中/高 置信（含与 10 的「很强」档衔接），仅看符号定条带或聚束，不启用峰位/斜率/幅度稳定门控。

五、方法一：密度聚类分组

5.1 算法实现

取 valid==True 的预处理后行，特征矩阵 [fc, log_pri, log_pw]。
RobustScaler 标准化后做 HDBSCAN（欧氏距离，min_cluster_size 会随样本量收缩上限）。
输出 cluster_id（-1 为噪声）、cluster_prob（成员概率）。

5.2 簇质量门控

对每个 非噪声簇：

在标准化空间算 簇内鲁棒半径（距离中位中心的 P75）与到其他簇中心的最近间距；
radius_to_sep = 半径/最近间距：几何上若 ≥ radius_to_sep_limit（默认 0.5），认为簇间分离不够干净；
quality_pass：同时要求簇内样本数 ≥ min_group_size_for_mode 且 radius_to_sep 低于门限。

工程解释：模式判别依赖幅度时间轴，若射频/PRI/PW 混叠严重，幅度序列可能是多源叠加轨迹，强判条带/聚束不可靠。

5.5 HDBSCAN 路径下的「干涉」

双 Excel 且 method=="hdbscan" 时

仅取两文件中 quality_pass==True 且 mode != "??" 的簇。
用合并两表拟合的 RobustScaler 在 [fc,log_pri,log_pw] 上算簇中心距离；幅度则 normalize_amp_shape 后 resample_sequence 到固定长度，算 Pearson 相关 与 p 值。
candidate：param_distance < interference_param_distance 且 corr > interference_corr 且 pvalue < interference_pvalue。
不要求两簇条带/聚束标签一致；不要求两文件处理时间对齐。

工程定性：「参数中心近 + 包络形状像」→ 疑似重复观测/可作干涉筛查线索，非干涉测量成立。

六、方法二：单源稳定球壳筛选

6.1 适用前提

要求数据本质上单一雷达源、单一稳定工作点；若已混多源，应优先 HDBSCAN。

6.2 算法实现

对 valid 行取 [fc,log_pri,log_pw]，RobustScaler 后算各点到原点的 欧氏距离（实质：相对数据中心化的尺度不变度量思路的一种简化）。
距离取 P75 + 1.5×IQR 为阈值，距离≤阈值的行 stable_keep=True，记为 单源稳定子集。
若稳定子集 < min_group_size_for_mode：全体模式未知，理由为样本不足。
否则对 全部稳定行 按 seq 排序，一次性处理全段一个 BIC 比较，不再分簇。

6.3 条带/聚束判定

与 HDBSCAN 同一套 fit_slow / fit_peak / _classify_mode_by_rule；区别仅 输入幅度序列是所有稳定行拼接的一段。

6.4 输出侧重

05_*_single_source_mode_result.csv：一行汇总整段结论。
08：仅 stable_keep 子集；剔除行在扩展列里有 stable_reason。

6.5 单源路径下的「干涉」

find_single_source_interference：

各文件取 stable_keep==True；长度均 ≥ min_group_size_for_mode 才继续。
合并两稳定子集拟合 scaler，比较 整体 fc,log_pri,log_pw 中位数中心距离 + 整段幅度重采样相关。
判定式与 HDBSCAN 同类三门槛（无单独 fc_median 差，频率贴近含在 param_distance 里）。

七、方法三：fc 锚点时间扩展 + 单段模式

7.1 工程动机

当关心某一射频工作频点下的连续观测段、且希望严格利用处理时间控制扩展边界时，使用本分支；扩展阶段不对 PRI/PW 做逐条匹配（代码注释已声明：只对 fc 做筛选）。

7.2 算法实现

锚点：fc_anchor_index 指定预处理后表中的行下标；若未给则 fc_target 必需，选 |fc-fc_target| 最小 的行。
参考频率 fc_ref：fc_target 若给定则用其，否则用锚点行 fc。
锚点合法性：锚点 处理时间 有效；|anchor_fc - fc_ref| ≤ fc_tolerance。
双侧扩展 _expand_fc_anchor_one_side：
- 沿表顺序（依赖 Excel 行顺序，不全局按时间重排）；
- 纳入条件：该时刻有效、|fc-fc_ref|≤fc_tolerance；
- 连续「不匹配」计数超过 fc_expand_max_miss 则截断；
- 相邻纳入记录 处理时间间隔 大于 fc_expand_max_time_gap 停止；
- 扩展段 总时间跨度 大于 fc_expand_max_time_span 停止。
fc_expand_selected 为真行进入模式判别；区间内未选中但落在左右界之间的行标记 「段内剔除」 原因。

7.3 fc 锚点路径下的「干涉」

find_fc_anchor_interference：

各文件 fc_expand_selected 段；长度门槛同 min_group_size_for_mode。
额外硬条件：|median(fc)_A - median(fc)_B| ≤ fc_tolerance——确保两段在中位射频上落在与扩展一致的容差带，避免仅靠 [fc,log_pri,log_pw] 缩放距离「像」但中心频已漂移的假阳性。
仍叠加 param_distance + 相关 + 显著性。

八、三法横向对比

维度	HDBSCAN	single_source	fc_anchor_expand
分组依据	`[fc,log_pri,log_pw]` 密度簇	单源距离球壳	fc+处理时间规则
噪声/多源	显式噪声类 -1	离群剔出	段外/剔除行标记
模式输入幅度	每簇一段	全稳定段一段	每扩展段一段
时间轴	`seq`（行序）	`seq`	处理时间参与扩展界限
双文件干涉	簇–簇，需 `quality_pass`	稳定段–稳定段	扩展段–扩展段 + fc 中位差

九、结语

「参数空间分群 + 包络形态博弈」的可运行、可复现框架；条带/聚束来自统计模型选择与幅度物理直觉门控的结合，与 Kass & Raftery (1995) 的 BIC 证据量级在默认阈值上 consciously aligned**；干涉则是双通道相似度筛查，必须与雷达干涉测量的基线、相位、相干证据链分开交付。