基于小波特征的特殊恒星自动识别方法

摘要

本发明公开一种基于小波特征的特殊恒星自动识别方法，涉及计算机辅助技术领域，其方法如下：利用M型星特征识别器识别M型星吸收带特征，利用早型恒星识别器识别光谱早型恒星特征，依据上面两个识别器的识别结果进行M型星和双星的判定；利用基于谱线特征方法构造早型发射线恒星识别器，识别早型发射线恒星。本发明通过基于小波特征的方法一定程度上降低了噪声和低分辨率对自动识别的不利影响。本发明的M型星总体识别率高达98.99％，双星和早型发射线恒星的误识别率低于1％。本发明可用于海量天体光谱的自动处理，是针对特殊恒星自动识别的一个较好的解决方案。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机辅助技术领域，涉及基于小波特征的特殊恒星自动识别方法。

背景技术

我国正在建设的LAMOST巡天项目，预计建成后，首先进行银河系内恒星光谱的观测。观测选源时，会把其它类型天体误认为是恒星，特别是类星体容易被误选。天文学家比较关注的是特殊类型天体，而以前的分类方案没有对特殊天体进行识别。现有的方案只是分层对天体进行分类，对于某一具体类别的天体而言，识别误差产生了累积，总体识别率下降。因此，我们急需要把特殊类型的恒星识别出来，并且尽量减少不必要的分类层数，以防止误差产生累积。SDSS巡天计划中的光谱分类是用一系列模板，通过模板匹配和交叉证认的方法进行，而LAMOST很难构造适合其数据特点的模板，模板匹配等方法并不适用。

发明内容

为了解决由于特殊天体的自动识别方法研究较少，很多特殊天体发现都依据天文学家手工证认，这使得特殊天体的发现成为比较困难的问题，本发明目的是面向天文学家的需求，提出一种基于小波特征的特殊恒星自动识别方法。

为了实现上述目的，满足LAMOST项目和天文学家的需求，为此，本发明提出一种能够对M型星、双星和早型发射线恒星进行识别、基于小波特征的特殊恒星自动识别方法。

本发明提出的基于小波特征的特殊恒星自动识别方法，其实现步骤如下：

识别M型星特征步骤：利用M型星特征识别器识别M型星吸收带特征；识别早型恒星步骤：基于谱线特征，利用早型恒星识别器识别光谱早型恒星特征；识别M型星和双星步骤：基于谱线特征，利用M型星特征识别器和早型恒星识别器的识别结果进行M型星和双星的判定；识别早型发射线恒星步骤：利用基于谱线特征方法构造早型发射线恒星识别器，识别早型发射线恒星。

所述识别特殊恒星包括：

M型星识别：对光谱特征主要表现在含有较强的分子吸收带，谱线很弱的M型星识别；双星识别：对光谱特点为波长623nm-846nm范围，具有M型星的特征，而波长380nm-620nm范围具有早型恒星的特征的双星识别；早型发射线恒星识别：对恒星光谱中具有吸收线的位置，含有发射线特征的早型恒星识别为早型发射线恒星。

所述M型星特征识别器包括：小波变换步骤：对选择波长范围623nm-846nm的光谱进行5层小波变换；提取小波特征步骤：根据小波变换，对吸收带进行小波特征提取；检测步骤：根据吸收带的小波特征，进行M型星特征频率检测和吸收带位置检测；特征识别：依据检测步骤的结果对M型星特征进行识别。

所述早型恒星识别器包括：

建立恒星谱线特征模板：利用小波特征提取方法构建一组恒星谱线特征模板；获取特征匹配值：对未知天体光谱波长380nm-620nm范围进行小波特征提取，用提取的小波特征与恒星谱线特征模板做相关匹配，获得一组特征匹配值；获取匹配值：利用获得的一组特征匹配值，求得其最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn；判别早型恒星：基于获取的最大的匹配值、最小的匹配值设置阈值σ，满足阈值σ设定关系为：如果|ηm|＞|ηn|且|ηm|＞σ，则判别该天体为早型恒星。

所述早型发射线恒星识别的谱线检测步骤包括，基于最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn设定阈值σ′，并检测天体发射线：

如果|ηm|≤|ηn|且|ηn|＞σ′，则进行恒星氢α(Hα)线的检测，如果Hα线不是发射线，则判别该天体为其它类型天体；

如果Hα线是发射线，则对恒星进行氢β(Hβ)和氢γ(Hγ)线的检测；如果至少有一条线是发射线，则判别该天体为早型发射线恒星；如果都不是发射线，则判别该天体为其它类型天体。

本发明提出了一种通过检测分子吸收带进行M型星特征识别的方法，该方法利用特征频率和吸收带位置的检测结果判定M型星特征。本发明利用基于谱线特征的方法进行早型恒星的识别，该方法主要是利用早型恒星谱线较强的特点进行设计的。本发明综合了两个识别器的识别结果进行M型星和双星识别。本发明提出了一种通过检测恒星谱线进行早型发射线恒星识别的方法，该方法利用早型发射线恒星一般具有氢发射线的特点进行设计。

本发明利用计算机辅助实现特殊恒星的自动识别，使得天文学家证认特殊天体的范围大大减小，以提高天文学家发现特殊恒星的效率。本发明的M型星总体识别率高达98.99％，双星和早型发射线恒星的误识别率低于1％。本发明可用于海量天体光谱的自动处理，是针对特殊恒星识别的一个较好的解决方案。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它方面、特征和优点将变得更加显而易见。附图中：

图1是本发明基于小波特征的特殊恒星自动识别系统结构图；

图2是本发明M型星特征识别器流程图；

图3是本发明早型恒星识别器框图；

图4是本发明双星识别结构图。

图5是本发明早型发射线恒星识别器流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的施例仅仅视为说明的目的，而不是对本发明的限制。

根据本发明，图1所示的是本发明基于小波特征的特殊恒星自动识别系统结构图，图面中为：天体光谱1、M型星特征识别器2、早型发射线恒星识别3器、其他天体4、早型恒星识别器5、M型星6、早型发射线恒星7、双星8。

天体光谱1进入M型星特征识别器2，M型星特征识别器2中若是M型星特征则输出；M型星特征输出给入早型恒星识别器5，用早型恒星识别器5判定出M型星6或双星8；M型星特征识别器2中若不是M型星特征则输出，则非M型星特征输出给入早型发射线恒星识别3器，由早型发射线恒星识别器3判别出早型发射线恒星7或其他天体4。

本发明基于小波特征的特殊恒星自动识别方法主要包括以下两个部分：

(1)首先利用M型星特征识别器2进行识别，然后利用早型恒星识别器5对波长380-620nm范围的光谱进行识别，通过两个识别器的识别结果进行M型星和双星判定；

(2)利用基于谱线特征的方法构造早型发射线恒星识别器3，将早型发射线恒星识别出来。

根据本发明，如图2本发明M型星特征识别器流程图所示：

所述M型星特征识别器包括：

小波变换步骤S2：对天体光谱1截取固定波长范围光谱S1，选择波长为623nm-846nm范围的天体光谱进行5层小波变换S2；

提取小波特征步骤：根据小波变换结果，进行吸收带的小波特征提取；

检测步骤：根据吸收带的小波特征，进行M型星特征频率检测S5和吸收带位置检测S7；

特征识别步骤：依据检测步骤的结果进行M型星特征识别：若特征频率检测结果满足M型星特征频率约束S5，并且吸收带位置检测S7结果满足吸收带位置约束S8，则获得M型星特征6。否则，为其它类型天体4。

具体地，所述特征频率检测S5步骤包括：

小波变换：对波长范围623-745nm的光谱进行5层小波变换，获得特征频率的小波系数；

特征频谱变换：基于光谱的小波系数，选取第5层小波系数进行离散傅里叶变换(DFT)S3，获得特征频谱的变换结果；

频谱计算：根据特征频谱的变换结果计算频谱幅值，幅值最大极值点对应的频率值即为特征频率。

具体地，所述吸收带位置检测S7步骤包括：

吸收带的选择：选择较强的TiO吸收带，波长分别为685.2nm、712.6nm和767.2nm；

小波变换：对波长范围623-846nm的光谱进行5层小波变换，获得吸收带的小波系数；

小波反变换：选取第5层小波系数进行小波反变换，获得吸收带的反变换结果；

吸收带位置：对第5层小波系数进行小波反变换S4，然后对反变换后的信号进行前项差分S6，获得差分信号，即可依据该差分信号检测所述的TiO分子吸收带S7。

根据本发明，如图3本发明早型恒星识别器框图所示，

所述早型恒星识别器5包括：

预先建立一个早型恒星谱线特征模板；

小波变换提取谱线特征S31：利用小波谱线特征提取方法提取谱线特征S31；

获取相关匹配参数S32：对未知天体光谱1波长380nm-620nm范围进行小波谱线特征提取S31，用提取的小波特征S31与恒星谱线特征模板做相关匹配，获得相关匹配参数S32；

获取匹配值S33：利用已获得的相关匹配参数S32，求得其最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn；

判别早型恒星5：基于获取的最大的匹配值、最小的匹配值S33设置阈值σ，满足阈值σ设定关系为：如果|ηm|＞|ηn|且|ηm|＞σ，则判别该天体为早型恒星5。否则为其它天体6。

具体地，如上所述建立早型恒星谱线特征模板步骤：

将类别为O型、B型、A型、F型、G型的早型恒星按光谱的子型、次型特征选取16条标准恒星光谱，分别进行3层小波变换得到谱线特征的小波系数；对第2，3层小波系数分层进行小波反变换得到反变换的谱线特征结果；对所得反变换结果的每一个向量归一化，得到恒星谱线特征；将这些谱线特征排列成一组恒星谱线特征模板。

具体地，所述归一化步骤包括，归一化使得向量各分量平方和为1。

根据本发明，如图4本发明双星识别结构图所示，

这里所说的双星是由M型星和早型恒星组成，所以用下面的方法进行双星识别：如果天体光谱1既具有M型星特征，又被识别为早型恒星，则判别该天体光谱1为双星8。

所述判定双星步骤：利用M型星特征识别器和早型恒星识别器的识别结果判定M型星和双星：

如果天体光谱具有M型星特征，又被识别为早型恒星，则判别该天体为双星；

如果天体光谱具有M型星特征，而未被识别为早型恒星，则判别该天体为M型星。

将天体光谱1分段，利用M型星特征识别器2和早型恒星识别器5的识别结果判定M型星和双星：

如果对天体光谱1光谱红端利用M型星特征识别器2识别具有M型星特征，如果对天体光谱1光谱蓝端被早型恒星识别器5识别为早型恒星，则早型恒星识别器5与M型星特征识别器2输出并判别该天体为双星8；

另外，如果天体光谱1光谱红端利用M型星特征识别器2识别具有M型星特征，而对天体光谱1光谱蓝端未被早型恒星识别器5识别为早型恒星，则判别该天体光谱1为M型星。否则，判别该天体为其他类型天体。

根据本发明，如图5本发明早型发射线恒星识别器流程图所示，

所述早型发射线恒星识别7步骤包括：

对天体光谱1进行小波变换，提取谱线特征S51，求取与恒星谱线特征模版的相关值S52；步骤S53：求取最大的匹配值ηm和最小的匹配值ηn；步骤S55：设定阈值σ′，

如果|ηm|≤|ηn|且|ηn|＞σ′，则进行恒星Hα线的检测S54，如果步骤S56判断Hα线不是发射线，则判别该天体光谱1为其它类型天体4；

如果步骤S56判断Hα线是发射线，则进入下一步骤S57，则对恒星进行Hβ和Hγ线的检测S54，如果步骤S57至少有一条线是发射线，则判别该天体为早型发射线恒星7；如果都不是发射线，则判别该天体为其它类型天体4。

具体地，所述识别特殊恒星包括：

M型星识别：对光谱特征主要表现在含有较强的分子吸收带，谱线一般很弱的M型星识别；

双星识别：对光谱特点为波长623nm-846nm范围，具有M型星的特征，而波长380nm-620nm范围具有早型恒星的特征的双星识别；

早型发射线恒星识别：对恒星光谱中具有吸收线的位置，由于某些机制而变成发射线的一类早型恒星识别为早型发射线恒星。

这些恒星光谱都比较特殊，本发明通称为特殊恒星。本发明所述的早型是指恒星类别的O、B、A、F和G型及其子型次型。

上面描述是用于实现本发明及其实施例，各个步骤均为示例，本领域普通技术人员可以根据实际情况确定要使用的实际步骤，而且各个步骤有多种实现方法，均应属于本发明的范围之内。因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。