LSTM提出者点赞，引力波探测高效工具，国内团队开发DCL-xLSTM

编辑丨coisini

2015 年 9 月 14 日，人类首次直接探测到双黑洞并合引力波事件 GW150914，标志着引力波天文学迈入了新纪元。经过十年发展，基于空间的引力波探测器预计将观测到被透镜化的引力波事件，为宇宙学和基础物理学研究提供新机遇。

然而，目前最先进的透镜化引力波识别方法虽然精度较高，但计算成本昂贵。即使对单个事件进行完整参数估计也可能耗时数小时。这种计算成本将成为未来引力波巡天（GW surveys）的瓶颈。

特别是在毫赫兹频段，引力波波长常与透镜的史瓦西半径相当，波动光学效应显著。尽管传统的匹配滤波方法有效，但其需要大量计算资源。

最近，来自中国科学院大学、中国科学院力学研究所等机构的研究团队提出了一种针对引力波探测的长短期记忆网络（LSTM），称为双通道透镜化特征提取扩展长短期记忆网络（Dual-Channel Lensing feature extraction eXtended Long Short-Term Memory Network，DCL-xLSTM）。

论文地址：https://arxiv.org/abs/2512.21370

与传统循环架构不同，DCL-xLSTM 采用矩阵值记忆结构和记忆混合机制，能有效捕捉覆盖整个毫赫兹频段的振幅衍射模式。

LSTM 的提出者之一 Sepp Hochreiter 在去年 5 月推出了 xLSTM，将 LSTM 扩展到数十亿参数。现在他称赞「DCL-xLSTM 是很酷的 xLSTM 应用」。

方法概览

已有原理验证研究证明深度学习方法能以高精度区分引力波信号，近期更有研究表明：深度学习框架已成为识别透镜化引力波信号的一种极具前景的高速替代方案。

研究团队首先构建了一个涵盖从波动光学到几何光学区域连续过渡特性的分类器。通过突破渐进极限的约束，数据集与模型能精确捕捉复杂的衍射诱导振幅调制，确保在 LISA 相关透镜质量范围内保持物理保真度。

其次，研究团队采用直接序列建模方法，充分利用频域振幅谱的完整分辨率。与基于二维图像的方法不同，该研究直接分析白化后的时延干涉测量通道 A 与 E 的应变数据，从而显式保留高频振荡调制特征，为模型识别提供稳健基础。

与传统 LSTM 相比，DCL-xLSTM 引入了基于矩阵的记忆结构和记忆混合机制，能够更好地保留长谱序列中复杂的衍射细节。这一设计增强了模型处理长程依赖关系的能力，同时保持了良好的线性计算复杂度。

实验评估

为评估 DCL-xLSTM 的分类性能，研究团队构建了包含 16000 个样本的平衡数据集，其中透镜化波形（N=8000）与非透镜化波形（N=8000）数量相等，并将样本划分为两个不同的质量区间，以测试网络在不同衍射条件下的灵敏度：高质量组代表波动光学效应显著的区域，信号畸变清晰可见；低质量组则对应衍射起始阶段，透镜化特征细微且波形偏离程度较低。

透镜效应通过两种标准透镜模型生成：点质量模型与奇异等温球体模型。为模拟真实观测条件，所有信号均经过白化处理，并基于 LISA 噪声模型注入高斯噪声。

DCL-xLSTM 实现了卓越的分类性能，在包括波动光学与几何光学过渡区在内的多种透镜质量与信噪比条件下均保持稳健的灵敏度。

DCL-xLSTM 的 AUC（曲线下面积）达到 0.99 以上，在误报率低于 1% 时仍能保持超过 98% 的检出率。

总的来说，DCL-xLSTM 对信噪比、透镜类型及透镜质量的变化均表现出强稳健性。DCL-xLSTM 有望成为未来空间引力波探测的高效工具。

感兴趣的读者可以阅读论文原文，了解更多研究内容。