时频域分形维数分析的光谱信号重叠峰解析算法

由于光谱谱线存在自然展宽、多普勒展宽、碰撞展宽等,使混合气体中多种成分的吸收光谱信号出现相邻谱峰重叠现象,给混合气体组成成分的定性或定量检测带来较大的困难。现有的方法在获取先验知识、处理精度、运算效率等方面存在不足。提出基于时频域分形维数分析的光谱信号重叠峰解析算法,结合小波的多尺度观测能力和分形的自相似度的度量能力,识别、定位和解析光谱信号中的重叠峰。首先利用小波对具有重叠谱峰的光谱信号进行光谱频率域和尺度域的分析,然后对该时频域的光谱信号在同一光谱频率下的多尺度数据进行自相似性度量和分形计算。逐频率计算后得到光谱信号在频率域的分形维数曲线。该曲线体现了光谱信号在不同尺度的自相似性,其极值位置与光谱信号的各独立峰的位置具有相关性。依据此特性,结合分形曲线的特征参数,最后利用神经网络解析出对应混合气体成分的混叠在一起的各个独立谱峰。该方法利用小波的多分辨率特性,对信号进行不同尺度的精细度量。分形模型则提高了系统解析复杂信号的能力,对重叠程度高的多谱峰重叠信号也有很强的处理能力。借助人工神经网络,实现了整个算法的自动测量。通过实验结果分析,验证了算法的有效性,并讨论影响算法效果的主要因素。     

基于分形理论的不同草原可燃物及裸土野外光谱识别研究

草原火灾一直是影响我国草原生态系统的重要因素,对其展开研究具有重要的现实意义。遥感技术的发展,为草原火灾的相关研究提供了详尽准确的数据,节省了大量的人力物力和财力。但在实际应用中,如何识别不同可燃物及裸土一直是难点问题。试图将分形理论应用到枯草及裸土的光谱识别研究中,为上述问题寻找新的研究思路和方法。该研究运用美国ASD公司的FS3地物光谱仪对吉林省长岭县西部草场的优势种羊草(Leymuschinensis)、芦苇(Reed)、虎尾草(Chlorisvirgata)、全叶马兰(Kalimerisintegrifolia)、蒙古蒿(Artemisia mongolica)的枯萎植株及裸土进行了野外光谱测量。并利用Matlab工具,对上述研究对象的平均野外反射光谱曲线进行了包络线提取和分形盒维数的计算。经过光谱分析,裸土和虎尾草的野外光谱反射强,羊草、芦苇和蒙古蒿的野外光谱反射相对较弱,但彼此的谱型较为相近,较难识别区分。而全叶马兰的平均野外光谱反射强,且谱型与其他研究对象有较大差异,可以很好的识别。通过分形分析,研究对象的平均野外反射光谱曲线与包络线具有典型的分形特征。以分维数作为分类指标,对研究对象进行聚类分析,完成了不同地物的野外光谱识别。该方法与传统光谱分析的方法相比,能够更好地利用数学方法,客观的通过识别参数对目标进行识别,为今后进行其他种类枯草的识别和提取研究提供了新的思路和方法。     

分形信号算法的CASI高光谱数据岩性特征提取

高光谱数据具有图谱合一和数据量大的特点,数据降维是主要的研究方向。波段选择和特征提取是目前高光谱降维的主要方法,就高光谱数据图像岩性特征提取的方法进行了试验和探讨。基于高光谱影像的自相似特征, 探索了分形信号算法在CASI高光谱数据岩性特征提取上的应用研究。以CASI高光谱影像数据为研究对象, 将基于地毯的方法进行修正后用于计算高光谱影像中每一像元的分形信号值。试验结果表明, 与其他分类算法相比分形信号算法增强高光谱图像的影像特征从另一个侧面更细致的描述了不同光谱的可区分性。分形信号影像在一定程度上可以更好地突出基岩裸露地区岩性特征, 从而可以实现影像地表岩性特征提取的目的。原始光谱曲线自身形态特征、初始尺度的选择以及迭代步长等对分形信号和分形特征尺度均有影响。目前,光谱曲线的分形信号特征研究还不多,对其物理意义和定量分析尚需要深入研究。     

用高光谱曲线分形维数分析植被健康状况

植被叶片高光谱反射曲线包含植被生长状况的众多信息,该文在分析光谱特征参数如红边位置、绿峰反射高度、红谷吸收深度以及红边面积的基础上,提出利用分形理论对450～780 nm之间的反射光谱曲线进行分形测量,并用分形维数定量反映其健康状况的新思路。研究表明,(1)植被反射光谱曲线具有分形特征,对于相同植被,其不同健康状况的叶片在可见光到近红外(450～780 nm)间的反射光谱曲线分形维数呈逐渐下降趋势;(2)分别针叶和阔叶,分形维数均与绿峰反射高度、红谷吸收深度以及红边面积3个光谱参数之间存在较好的正相关关系;(3)分形维数与绿峰反射高度、红谷吸收深度以及红边面积也存在较好的多元线性关系,其相关指数分别为0.892 8和0.698 7。因此,分形维数是对曲线整体的一个综合分析和定量描述,能够作为一个新的综合参数来客观反映植被叶片所处的健康状况。     

调制无线电信号的分形特征研究

调制方式的不同以及信号受到功率放大器的非线性变换决定了调制无线电信号的形状存在着差异,提取这些差异特征是信号识别的基础. 基于分形理论提取信号特征是一种新的方法,本文模拟了在不同信噪比条件下,通过计算调制无线电信号的方差分形维以及Mandelbrot奇异分形维谱,将信号的调制特征以及非线性变换特征投射到分形特征空间. 数值仿真结果表明,不同调制方式、非线性变换对应了分形特征空间中的不同位置. 这些结果表明分形理论能够有效提取无线电信号的调制特征以及功率放大器的特征,对信号的调制方式以及个体特征识别具有一定 关键词： 无线电 信号 分形特征 识别     

基于多重分形谱的高光谱数据特征提取

针对单一分形维数在高光谱数据处理中的不足,提出了一种基于多重分形谱的光谱信号奇异性特征提取方法,引入多重分形谱表征光谱曲线的奇异性特征.该方法根据分形测度将光谱曲线进行划分,用光谱概率测度计算配分函数,通过尺度指数的Legendre变换实现光谱曲线多重分形谱的提取,根据各类地物间的类别可分性准则Bhattacharyya距离选择有效特征,最后利用地物分类实验来验证该方法的有效性.实验结果表明,多重分形谱用于分类时分类精度达95.2%,当其维数为原数据波段数的10%时,总体分类精度仍可达82.2 %.多重分形谱表征了具有相同奇异性的波段子集的分形维数,准确的描述了光谱曲线的奇异性和分布特点,该方法能够有效地实现高光谱数据的特征提取.     

闪电的分形特征研究及其在自动识别中的应用

利用2009年夏季青海地区的快电场变化测量仪的野外观测资料, 对120例地闪和77例云闪辐射场信号的分形特征进行了深入研究, 结果表明地闪辐射场信号的分形维数与云闪辐射场信号的分形维数有明显的差别, 再利用闪电的分形维特征, 构造了5个特征值, 将其作为支持向量机的输入进行地闪和云闪不同放电类型的识别, 有效识别率达到95%以上; 通过构造地闪辐射场时间序列信号的分形维数轨迹图表明分形维数最低点对应于原时间序列的回击位置, 利用分形维数轨迹中的最低点的位置能够快速准确地对地闪辐射场信号的回击点进行检测, 检测率可达到100%. 分形维是闪电的一种具有鉴别性的特征, 可用于闪电的智能分析与自动化处理. 关键词： 闪电信号 分形维数 支持向量机 自动识别     

分形在物理学中的应用

 一、分形理论的基本内容分形是对没有特征长度但有某种意义下的自相似性的形体和结构的总称。分形体系是具有无标度性的自相似结构。自相似结构可用分形维数来表示,这个维数可以是分数,或是一个连续变化的数。分形维数是描述分形的重要参数,有多种定义和计算方法。一般地,如把一个Ｄ维几何物体的尺寸放大Ｌ倍,就得到ＬＤ个原来的几何图像。令ＬＤ=Ｋ,则有Ｄ=ｌｎＫｌｎＬ上式可作为豪斯道夫维数的定义,并且能毫无困难地推广到非整数的范围。分形几何中的主要角色是由传统数学中的“病态”结构所扮演的,如科契曲线、谢尔品斯基海绵等,它们都具有严格的自相似结构,属于有规分形。     

核爆与雷电电磁脉冲识别

用经验模态分解和分形分析相结合的方法对核爆和雷电电磁脉冲信号进行了识别研究。计算了核爆和雷电电磁脉冲原始信号的盒维数,以及原始信号经验模态分解后前4阶固有模态分量（IMF）的盒维数。用最近邻法对核爆和雷电进行了识别,实验结果表明:原始信号经验模态分解后一阶、二阶IMF盒维数的识别率要略高于三阶、四阶IMF盒维数的识别率;原始信号盒维数的识别率高于经验模态分解后各阶IMF盒维数的识别率;二维和三维特征的识别率要高于一维特征的识别率,另外二维和三维特征的识别率更加趋于稳定,并且三维特征的识别率都在90%以上。     

利用分形理论研究气液界面特性

利用分形理论对Lennard-Jones12-6流体气液界面性质进行了研究。得到了密度分布及温度分布,将表面张力 与气液界面的分形维数进行关联。分形维数是界面层所固有的,它与界面的其它特性有着本质的联系,因此,可以通过测 量界面层的分形维数,再利用此分形维数确定界面的其它特性。这种全新的测量界面特性的方法有望由此产生。     

Observation of anomalous diffusion in excised tissue by characterizing the diffusion-time dependence of the MR signal

This report introduces a novel method to characterize the diffusion-time dependence of the diffusion-weighted magnetic resonance (MR) signal in biological tissues. The approach utilizes the theory of diffusion in disordered media where two parameters, the random walk dimension and the spectral dimension, describe the evolution of the average propagators obtained from q-space MR experiments. These parameters were estimated, using several schemes, on diffusion MR spectroscopy data obtained from human red blood cell ghosts and nervous tissue autopsy samples. The experiments demonstrated that water diffusion in human tissue is anomalous, where the mean-square displacements vary slower than linearly with diffusion time. These observations are consistent with a fractal microstructure for human tissues. Differences observed between healthy human nervous tissue and glioblastoma samples suggest that the proposed methodology may provide a novel, clinically useful form of diffusion MR contrast.     

基于压缩感知的反射光谱重构算法研究

光谱反射率描述物体的表面颜色特征,为了能够获取物体自身更加精确的颜色信息,在图像处理领域光谱反射率重构成为了关注的话题。反射光谱重构算法是对实验物体表面在可见光范围内每一波长处的光谱反射率进行重构,以达到提高物体自身颜色准确复制的精度,最后建立相应的反射光谱。尝试将压缩感知(CS)理论应用到光谱实验中,对光谱反射率进行重构。首先是介绍了压缩感知理论知识,然后把压缩感知理论与光谱反射率原理相结合,根据基于压缩感知的光谱反射率重构的理论框架,选取合适的采样值,压缩感知的采样值即压缩值,小波基作为正交矩阵,高斯随机矩阵作为测量矩阵,正交矩阵与测量矩阵需要保证具有不相关性,将原始光谱反射率从高维到低维进行线性投影,得到低维的观测信号,运行简单的正交匹配追踪算法(OMP)对低维的观测信号进行由低维到高维的高精度重构,重构得到的光谱反射率与原始光谱反射率具有相同的维度,最后将压缩感知重构算法与传统的光谱反射率重构算法伪逆法与多项式回归法进行比较。经过压缩感知重构算法得到的色差值与均方根误差值都小于伪逆法和多项式回归法重构的结果,经压缩感知的重构精度明显提高;经压缩感知重构的光谱曲线可以达到或者更接近原始光谱曲线的峰值,整体效果更接近原始光谱曲线;经多项式回归法和伪逆法重构的光谱曲线达不到原始峰值,整体上存在偏差。可以认为压缩感知用低采样的数据达到了全采样的效果,提高了光谱反射率重构的精度。基于压缩感知的光谱反射率重构算法效果明显优于传统的多项式回归法和伪逆法,可以将压缩感知理论应用到实际的多光谱成像系统中。     

基于神经网络的光谱识别系统的设计与分析

光谱识别技术是光谱定性分析的基础。随着模式识别技术的发展,光谱识别技术已成为医药、环保、石化等行业进行快速检测的重要的手段。神经网络具有非线性映射、自适应学习、鲁棒性和容错性等特点,在信号处理、知识工程、模式识别等领域有着广泛的应用。文章以符合朗伯-比尔定律的光谱信号为研究对象,概述了运用神经网络进行模式识别的基本原理,随后根据光谱识别的具体要求,提出了基于多特征和神经网络的光谱识别方案,并进行了系统设计,建立了基本的模型框架。最后运用实例对该方法进行了说明。     

基于小波包分析的光谱识别方法研究

光谱信号的自动识别技术是光谱分析技术中的重要组成部分, 是指运用模式识别方法,借助计算机技术,对相同测定条件下的光谱信号进行比较,根据信号之间的相似程度,从而得出两者之间化学组成关系的技术,主要应用于光谱的定性分析,也可用于光谱的验证。文章以符合朗伯-比尔定律的光谱信号为研究对象,简单介绍了光谱识别技术的基本原理和方法,随后为简化识别难度,进行了光谱信号的归一化处理,再在概述小波分析基本原理的基础上,提出了采用小波包分析的技术对光谱信号进行相关特征提取的方法,并根据统计学知识,得出了计算标准特征向量和允许误差向量的公式,然后运用二叉树分级判别的方法,实现了光谱信号的快速识别,最后举例对该方法进行了说明。     

舰船辐射噪声超混沌现象研究

水下弱目标探测和识别一直是水声信号处理领域中研究的难点。从Lyapunov指数谱、吸引子相空间轨迹的演化、分形维数等方面，对船舶辐射噪声是否存在超混沌现象进行了研究。实验结果表明，船舶辐射噪声信号确实存在至少两个正的Lyapunov指数，即存在超混沌现象。辐射噪声吸引子在相空间中的轨迹具有多方向伸展的趋势，且不同类型目标的吸引子具有不同的分形维数。研究结果为建立精确描述辐射噪声信号的非线性模型、为水下弱目标信号探测和识别提供一定的理论依据。     

The fractal energy measurement and the singularity energy spectrum analysis

The singularity exponent (SE) is the characteristic parameter of fractal and multifractal signals. Based on SE, the fractal dimension reflecting the global self-similar character, the instantaneous SE reflecting the local self-similar character, the multifractal spectrum (MFS) reflecting the distribution of SE, and the time-varying MFS reflecting pointwise multifractal spectrum were proposed. However, all the studies were based on the depiction of spatial or differentiability characters of fractal signals. Taking the SE as the independent dimension, this paper investigates the fractal energy measurement (FEM) and the singularity energy spectrum (SES) theory. Firstly, we study the energy measurement and the energy spectrum of a fractal signal in the singularity domain, propose the conception of FEM and SES of multifractal signals, and investigate the Hausdorff measure and the local direction angle of the fractal energy element. Then, we prove the compatibility between FEM and traditional energy, and point out that SES can be measured in the fractal space. Finally, we study the algorithm of SES under the condition of a continuous signal and a discrete signal, and give the approximation algorithm of the latter, and the estimations of FEM and SES of the Gaussian white noise, Fractal Brownian motion and the multifractal Brownian motion show the theoretical significance and application value of FEM and SES.     

表面分形球、柱的光散射

分形和分维是近些年才兴起的一门处理复杂事物的新方法￣［１］。本文主要研究具有表面分形的球、柱的光散射特征。我们首先利用几何光学近似研究了一种表面满足自仿射原理的分形均匀球的散射，其散射特性与分维存在一定的关系。我们还利用微扰法讨论了表面具有沟槽的分形柱的光散射的分形特征。     

大孔径静态干涉成像光谱仪数据源选择对压缩效果影响的研究

针对实际工程应用中存在的大孔径静态干涉成像光谱仪(large aperture static imaging spectrometer,LASIS)的数据压缩问题,根据LASIS的成像特点,在详细分析其数据特性之后,提出了基于光程差维数据源的压缩,并与以往的LASIS和LAMIS数据源压缩进行对比研究。选择不同的数据源获得的压缩效果不同,为了更合理的选择LASIS数据源,降低压缩算法带来的图像和光谱损失,实验以LASIS原理样机推扫获得的短波红外数据作为研究对象,在详细介绍了三种数据的数据特点以及提取方法之后,变换得到上述三种形式的数据源,采用工程中成熟应用的JPEG和JPEG2000算法对三种数据源分别进行逐帧压缩和重建,然后对压缩效果在图像维、干涉维和光谱维以及压缩比进行了详细的对比分析,并提取视场中三种目标物质的光谱曲线,对压缩前后它们的光谱信息损失进行了度量。实验结果表明,相较于采用LASIS和LAMIS数据源作为压缩对象,以LASIS光程差维数据作为压缩对象,无论是在图像维、干涉维还是光谱维的压缩评价标准下都表现出明显的优越性：同样的压缩方案下,基于光程差维数据源的压缩能在获得较高压缩比的同时获得更低的均方误差和更高的峰值信噪比,且对光谱信息的损失也是三种数据源中最小的。