專利名稱：基于小波特征的特殊恒星自動識別方法
技術領域：
本發明涉及計算機輔助技術領域，涉及基于小波特征的特殊恒星自動識別方法。
背景技術：
我國正在建設的LAMOST巡天項目，預計建成后，首先進行銀河系內恒星光譜的觀測。觀測選源時，會把其它類型天體誤認為是恒星，特別是類星體容易被誤選。天文學家比較關注的是特殊類型天體，而以前的分類方案沒有對特殊天體進行識別。現有的方案只是分層對天體進行分類，對于某一具體類別的天體而言，識別誤差產生了累積，總體識別率下降。因此，我們急需要把特殊類型的恒星識別出來，并且盡量減少不必要的分類層數，以防止誤差產生累積。SDSS巡天計劃中的光譜分類是用一系列模板，通過模板匹配和交叉證認的方法進行，而LAMOST很難構造適合其數據特點的模板，模板匹配等方法并不適用。
發明內容
為了解決由于特殊天體的自動識別方法研究較少，很多特殊天體發現都依據天文學家手工證認，這使得特殊天體的發現成為比較困難的問題，本發明目的是面向天文學家的需求，提出一種基于小波特征的特殊恒星自動識別方法。
為了實現上述目的，滿足LAMOST項目和天文學家的需求，為此，本發明提出一種能夠對M型星、雙星和早型發射線恒星進行識別、基于小波特征的特殊恒星自動識別方法。
本發明提出的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其實現步驟如下識別M型星特征步驟利用M型星特征識別器識別M型星吸收帶特征；識別早型恒星步驟基于譜線特征，利用早型恒星識別器識別光譜早型恒星特征；識別M型星和雙星步驟基于譜線特征，利用M型星特征識別器和早型恒星識別器的識別結果進行M型星和雙星的判定；識別早型發射線恒星步驟利用基于譜線特征方法構造早型發射線恒星識別器，識別早型發射線恒星。
所述識別特殊恒星包括M型星識別對光譜特征主要表現在含有較強的分子吸收帶，譜線很弱的M型星識別；雙星識別對光譜特點為波長623nm-846nm范圍，具有M型星的特征，而波長380nm-620nm范圍具有早型恒星的特征的雙星識別；早型發射線恒星識別對恒星光譜中具有吸收線的位置，含有發射線特征的早型恒星識別為早型發射線恒星。
所述M型星特征識別器包括小波變換步驟對選擇波長范圍623nm-846nm的光譜進行5層小波變換；提取小波特征步驟根據小波變換，對吸收帶進行小波特征提取；檢測步驟根據吸收帶的小波特征，進行M型星特征頻率檢測和吸收帶位置檢測；特征識別依據檢測步驟的結果對M型星特征進行識別。
所述早型恒星識別器包括建立恒星譜線特征模板利用小波特征提取方法構建一組恒星譜線特征模板；獲取特征匹配值對未知天體光譜波長380nm-620nm范圍進行小波特征提取，用提取的小波特征與恒星譜線特征模板做相關匹配，獲得一組特征匹配值；獲取匹配值利用獲得的一組特征匹配值，求得其最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn；判別早型恒星基于獲取的最大的匹配值、最小的匹配值設置閾值σ，滿足閾值σ設定關系為如果|ηm|＞|ηn|且|ηm|＞σ，則判別該天體為早型恒星。
所述早型發射線恒星識別的譜線檢測步驟包括，基于最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn設定閾值σ′，并檢測天體發射線如果|ηm|≤|ηn|且|ηn|＞σ′，則進行恒星氫α(Hα)線的檢測，如果Hα線不是發射線，則判別該天體為其它類型天體；如果Hα線是發射線，則對恒星進行氫β(Hβ)和氫γ(Hγ)線的檢測；如果至少有一條線是發射線，則判別該天體為早型發射線恒星；如果都不是發射線，則判別該天體為其它類型天體。
本發明提出了一種通過檢測分子吸收帶進行M型星特征識別的方法，該方法利用特征頻率和吸收帶位置的檢測結果判定M型星特征。本發明利用基于譜線特征的方法進行早型恒星的識別，該方法主要是利用早型恒星譜線較強的特點進行設計的。本發明綜合了兩個識別器的識別結果進行M型星和雙星識別。本發明提出了一種通過檢測恒星譜線進行早型發射線恒星識別的方法，該方法利用早型發射線恒星一般具有氫發射線的特點進行設計。
本發明利用計算機輔助實現特殊恒星的自動識別，使得天文學家證認特殊天體的范圍大大減小，以提高天文學家發現特殊恒星的效率。本發明的M型星總體識別率高達98.99％，雙星和早型發射線恒星的誤識別率低于1％。本發明可用于海量天體光譜的自動處理，是針對特殊恒星識別的一個較好的解決方案。
通過以下結合附圖的詳細描述，本發明的上述和其它方面、特征和優點將變得更加顯而易見。附圖中圖1是本發明基于小波特征的特殊恒星自動識別系統結構圖；圖2是本發明M型星特征識別器流程圖；圖3是本發明早型恒星識別器框圖；圖4是本發明雙星識別結構圖。
圖5是本發明早型發射線恒星識別器流程圖；具體實施方式
下面結合附圖對本發明作具體說明。應該指出，所描述的施例僅僅視為說明的目的，而不是對本發明的限制。
根據本發明，圖1所示的是本發明基于小波特征的特殊恒星自動識別系統結構圖，圖面中為天體光譜1、M型星特征識別器2、早型發射線恒星識別3器、其他天體4、早型恒星識別器5、M型星6、早型發射線恒星7、雙星8。
天體光譜1進入M型星特征識別器2，M型星特征識別器2中若是M型星特征則輸出；M型星特征輸出給入早型恒星識別器5，用早型恒星識別器5判定出M型星6或雙星8；M型星特征識別器2中若不是M型星特征則輸出，則非M型星特征輸出給入早型發射線恒星識別3器，由早型發射線恒星識別器3判別出早型發射線恒星7或其他天體4。
本發明基于小波特征的特殊恒星自動識別方法主要包括以下兩個部分(1)首先利用M型星特征識別器2進行識別，然后利用早型恒星識別器5對波長380-620nm范圍的光譜進行識別，通過兩個識別器的識別結果進行M型星和雙星判定；(2)利用基于譜線特征的方法構造早型發射線恒星識別器3，將早型發射線恒星識別出來。
根據本發明，如圖2本發明M型星特征識別器流程圖所示所述M型星特征識別器包括小波變換步驟S2對天體光譜1截取固定波長范圍光譜S1，選擇波長為623nm-846nm范圍的天體光譜進行5層小波變換S2；提取小波特征步驟根據小波變換結果，進行吸收帶的小波特征提取；檢測步驟根據吸收帶的小波特征，進行M型星特征頻率檢測S5和吸收帶位置檢測S7；特征識別步驟依據檢測步驟的結果進行M型星特征識別若特征頻率檢測結果滿足M型星特征頻率約束S5，并且吸收帶位置檢測S7結果滿足吸收帶位置約束S8，則獲得M型星特征6。否則，為其它類型天體4。
具體地，所述特征頻率檢測S5步驟包括小波變換對波長范圍623-745nm的光譜進行5層小波變換，獲得特征頻率的小波系數；特征頻譜變換基于光譜的小波系數，選取第5層小波系數進行離散傅里葉變換(DFT)S3，獲得特征頻譜的變換結果；頻譜計算根據特征頻譜的變換結果計算頻譜幅值，幅值最大極值點對應的頻率值即為特征頻率。
具體地，所述吸收帶位置檢測S7步驟包括吸收帶的選擇選擇較強的TiO吸收帶，波長分別為685.2nm、712.6nm和767.2nm；小波變換對波長范圍623-846nm的光譜進行5層小波變換，獲得吸收帶的小波系數；小波反變換選取第5層小波系數進行小波反變換，獲得吸收帶的反變換結果；吸收帶位置對第5層小波系數進行小波反變換S4，然后對反變換后的信號進行前項差分S6，獲得差分信號，即可依據該差分信號檢測所述的TiO分子吸收帶S7。
根據本發明，如圖3本發明早型恒星識別器框圖所示，所述早型恒星識別器5包括預先建立一個早型恒星譜線特征模板；小波變換提取譜線特征S31利用小波譜線特征提取方法提取譜線特征S31；獲取相關匹配參數S32對未知天體光譜1波長380nm-620nm范圍進行小波譜線特征提取S31，用提取的小波特征S31與恒星譜線特征模板做相關匹配，獲得相關匹配參數S32；獲取匹配值S33利用已獲得的相關匹配參數S32，求得其最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn；判別早型恒星5基于獲取的最大的匹配值、最小的匹配值S33設置閾值σ，滿足閾值σ設定關系為如果|ηm|＞|ηn|且|ηm|＞σ，則判別該天體為早型恒星5。否則為其它天體6。
具體地，如上所述建立早型恒星譜線特征模板步驟將類別為O型、B型、A型、F型、G型的早型恒星按光譜的子型、次型特征選取16條標準恒星光譜，分別進行3層小波變換得到譜線特征的小波系數；對第2，3層小波系數分層進行小波反變換得到反變換的譜線特征結果；對所得反變換結果的每一個向量歸一化，得到恒星譜線特征；將這些譜線特征排列成一組恒星譜線特征模板。
具體地，所述歸一化步驟包括，歸一化使得向量各分量平方和為1。
根據本發明，如圖4本發明雙星識別結構圖所示，這里所說的雙星是由M型星和早型恒星組成，所以用下面的方法進行雙星識別如果天體光譜1既具有M型星特征，又被識別為早型恒星，則判別該天體光譜1為雙星8。
所述判定雙星步驟利用M型星特征識別器和早型恒星識別器的識別結果判定M型星和雙星如果天體光譜具有M型星特征，又被識別為早型恒星，則判別該天體為雙星；如果天體光譜具有M型星特征，而未被識別為早型恒星，則判別該天體為M型星。
將天體光譜1分段，利用M型星特征識別器2和早型恒星識別器5的識別結果判定M型星和雙星如果對天體光譜1光譜紅端利用M型星特征識別器2識別具有M型星特征，如果對天體光譜1光譜藍端被早型恒星識別器5識別為早型恒星，則早型恒星識別器5與M型星特征識別器2輸出并判別該天體為雙星8；另外，如果天體光譜1光譜紅端利用M型星特征識別器2識別具有M型星特征，而對天體光譜1光譜藍端未被早型恒星識別器5識別為早型恒星，則判別該天體光譜1為M型星。否則，判別該天體為其他類型天體。
根據本發明，如圖5本發明早型發射線恒星識別器流程圖所示，所述早型發射線恒星識別7步驟包括對天體光譜1進行小波變換，提取譜線特征S51，求取與恒星譜線特征模版的相關值S52；步驟S53求取最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn；步驟S55設定閾值σ′，如果|ηm|≤|ηn|且|ηn|＞σ′，則進行恒星Hα線的檢測S54，如果步驟S56判斷Hα線不是發射線，則判別該天體光譜1為其它類型天體4；如果步驟S56判斷Hα線是發射線，則進入下一步驟S57，則對恒星進行Hβ和Hγ線的檢測S54，如果步驟S57至少有一條線是發射線，則判別該天體為早型發射線恒星7；如果都不是發射線，則判別該天體為其它類型天體4。
具體地，所述識別特殊恒星包括M型星識別對光譜特征主要表現在含有較強的分子吸收帶，譜線一般很弱的M型星識別；雙星識別對光譜特點為波長623nm-846nm范圍，具有M型星的特征，而波長380nm-620nm范圍具有早型恒星的特征的雙星識別；早型發射線恒星識別對恒星光譜中具有吸收線的位置，由于某些機制而變成發射線的一類早型恒星識別為早型發射線恒星。
這些恒星光譜都比較特殊，本發明通稱為特殊恒星。本發明所述的早型是指恒星類別的O、B、A、F和G型及其子型次型。
上面描述是用于實現本發明及其實施例，各個步驟均為示例，本領域普通技術人員可以根據實際情況確定要使用的實際步驟，而且各個步驟有多種實現方法，均應屬于本發明的范圍之內。因此，本發明的范圍不應由該描述來限定。本領域的技術人員應該理解，在不脫離本發明的范圍的任何修改或局部替換，均屬于本發明權利要求來限定的范圍。
權利要求
1.基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于，所述識別方法包括識別M型星特征步驟利用M型星特征識別器識別M型星吸收帶特征；識別早型恒星步驟基于譜線特征，利用早型恒星識別器識別光譜早型恒星特征；識別M型星和雙星步驟基于譜線特征，利用M型星特征識別器和早型恒星識別器的識別結果進行M型星和雙星的判定；識別早型發射線恒星步驟利用基于譜線特征方法構造早型發射線恒星識別器，識別早型發射線恒星。
2.根據權利要求1所述基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于，所述識別特殊恒星包括M型星識別對光譜特征主要表現在含有較強的分子吸收帶，譜線很弱的M型星識別；雙星識別對光譜特點為波長623nm-846nm范圍，具有M型星的特征，而波長380nm-620nm范圍具有早型恒星的特征的雙星識別；早型發射線恒星識別對恒星光譜中具有吸收線的位置，有發射線特征的早型恒星識別為早型發射線恒星。
3.根據權利要求1所述的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于所述M型星特征識別器包括小波變換步驟對選擇波長范圍623nm-846nm的光譜進行5層小波變換；提取小波特征步驟根據小波變換，對吸收帶進行小波特征提取；檢測步驟根據吸收帶的小波特征，進行M型星特征頻率檢測和吸收帶位置檢測；特征識別依據檢測步驟的結果對M型星特征進行識別。
4.根據按權利要求1所述的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于所述早型恒星識別器包括建立恒星譜線特征模板利用小波特征提取方法構建一組恒星譜線特征模板；獲取特征匹配值對未知天體光譜波長380nm-620nm范圍進行小波特征提取，用提取的小波特征與恒星譜線特征模板做相關匹配，獲得一組特征匹配值；獲取匹配值利用獲得的一組特征匹配值，求得其最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn；判別早型恒星基于獲取的最大的匹配值、最小的匹配值設置閾值σ，滿足閾值σ設定關系為如果|ηm|＞|ηn|且|ηm|＞σ，則判別該天體為早型恒星。
5.根據權利要求1所述的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于，判定M型星和雙星步驟所述利用M型星特征識別器和早型恒星識別器的識別結果判定M型星和雙星如果天體光譜具有M型星特征，又被識別為早型恒星，則判別該天體為雙星；如果天體光譜具有M恒星特征，而未被識別為早型恒星，則判別該天體為M型星。
6.根據權利要求1和2所述的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于，所述早型發射線恒星識別的譜線檢測步驟包括，基于最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn設定閾值σ′，并檢測天體發射線如果|ηm|≤|ηn|且|ηn|＞σ′，則進行恒星氫α線的檢測，如果氫α線不是發射線，則判別該天體為其它類型天體；如果氫α線是發射線，則對恒星進行氫β和氫γ線的檢測；如果至少有一條線是發射線，則判別該天體為早型發射線恒星；如果都不是發射線，則判別該天體為其它類型天體。
7.根據權利要求3所述的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于所述特征頻率檢測步驟包括小波變換對波長范圍623nm-745nm的光譜進行5層小波變換，獲得光譜的小波系數；獲取變換結果選取第5層小波系數進行離散傅里葉變換，獲得特征頻譜的變換結果；頻譜計算根據特征頻譜的變換結果計算頻譜幅值，幅值最大極值點對應的頻率值即為特征頻率。
8.根據權利要求3所述的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于所述吸收帶位置檢測步驟包括吸收帶的選擇選擇較強的TiO吸收帶，波長分別為685.2nm、712.6nm和767.2nm；小波變換對波長范圍623nm-846nm的光譜進行5層小波變換，獲得吸收帶的小波系數；小波反變換選取第5層小波系數進行小波反變換，獲得吸收帶的反變換結果；吸收帶位置對吸收帶的反變換結果進行一次前項差分，獲得差分信號，即可依據該差分信號檢測所述的TiO分子吸收帶，即得到吸收帶位置。
9.根據權利要求4所述的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于所述建立恒星譜線特征模板步驟將類別為O型、B型、A型、F型、G型的早型恒星按恒星光譜的子型、次型特征選取16條標準恒星光譜，分別進行3層小波變換得到譜線特征的小波系數；對第2，3層小波系數分層進行小波反變換得到反變換的譜線特征結果；對所得反變換結果的每一個向量歸一化，得到恒星譜線特征；將這些譜線特征排列成一組特征模板。
10.根據權利要求6所述的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于所述譜線檢測步驟包括在第3層譜線特征中檢測固定位置的譜線，若存在發射線，則輸出2，若存在吸收線，則輸出1，否則進入下一步；在第2層譜線特征中檢測該位置的譜線，若存在發射線，則輸出2，若存在吸收線，則輸出1，否則輸出0。
11.根據權利要求9所述的基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，其特征在于所述歸一化步驟包括，歸一化使得向量各分量平方和為1。
全文摘要
本發明公開一種基于小波特征的特殊恒星自動識別方法，涉及計算機輔助技術領域，其方法如下利用M型星特征識別器識別M型星吸收帶特征，利用早型恒星識別器識別光譜早型恒星特征，依據上面兩個識別器的識別結果進行M型星和雙星的判定；利用基于譜線特征方法構造早型發射線恒星識別器，識別早型發射線恒星。本發明通過基于小波特征的方法一定程度上降低了噪聲和低分辨率對自動識別的不利影響。本發明的M型星總體識別率高達98.99％，雙星和早型發射線恒星的誤識別率低于1％。本發明可用于海量天體光譜的自動處理，是針對特殊恒星自動識別的一個較好的解決方案。
文檔編號G01J3/00GK101059842SQ20061007564
公開日2007年10月24日 申請日期2006年4月17日 優先權日2006年4月17日
發明者劉中田, 吳福朝, 趙永恒 申請人:中國科學院自動化研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
