用于红移测量的基于密度估计的模板匹配法

文章给出了一种基于密度估计的模板匹配法来确定红移,将确定红移问题转化为寻找密度最大点问题。该方法首先利用基于均值漂移的谱线自动提取方法提取出特征谱线;再根据提取出的特征波长序列与模板的谱线表,由红移公式构造出一个数据集Z;最后,寻找数据集中的密度最大点,对密度最大点的ε-邻域中的点进行平均得到红移值。该方法利用了特征波长和谱线类型信息,可以处理各种类型的天体。在构造数据集时忽略谱线类型不匹配及特征波长明显不匹配的情况,这就去除了很大的干扰并且加快了运行速度。试验结果表明：该方法的稳定性较好,正确率也较高。     

基于支撑矢量机的天体光谱自动分类方法

天体光谱自动识别系统的主要目标是对天体进行分类和参数测量。文章提出一种新的基于支撑矢量机的非活动天体与活动天体的自动分类方法。在信噪比低的时候 ,由于红移值未知使得噪声与发射谱线难于辨别 ,因此不能单纯依靠寻找发射谱线来确定是否为活动天体。据此 ,在低噪声情况下对非活动天体与活动天体的区分成为难点。本方法结合主分量分析法和支撑矢量机 ,能够对红移值未知的活动天体与非活动天体比较有效地进行自动光谱分类 ,对天文界的大型巡天计划中的海量观测数据自动处理有比较重要的应用价值。     

一种重复观测低信噪比光谱的处理方法

目前我国LAMOST光谱巡天已发布超过760万条的天体光谱,对其中大量的低信噪比光谱的处理一直是业内公认的难题。针对天体光谱中重复观测的光谱,提出了一种新的处理方法。该方法的主要内容为：对每一组重复观测光谱,选择其红移值的差距在一定范围内的组别,然后使用一种基于信噪比加权的最优叠加方法来提高光谱的信噪比。通过对LAMOST DR4中所有重复观测光谱进行处理,证明该方法对于提高低信噪比重复观测光谱的信噪比十分有效。使7 571组恒星光谱的信噪比达到参数测量的标准,3 357组类星体和星系光谱的信噪比得到提高,平均提高率为56.38%;并且获得了43 021个双星候选体。     

基于卷积型小波包变换的谱线自动提取方法

天体光谱中的谱线包含重要的天体物理信息。文章提出一种基于卷积型小波包变换的谱线自动提取方法。该方法由以下主要步骤组成：(1)将观测光谱进行4层卷积型小波包变换;(2)对第四层小波包系数,采用区域相关算法以及阈值处理方法进行噪声处理;(3)选择中高频小波包系数进行谱线特征重构;(4)根据重构后的谱线特征,利用谱线搜索方法,在观测光谱中提取谱线。作者在实验中用恒星、正常星系和活动星系光谱进行谱线提取测试,结果表明该方法具有对噪声鲁棒和谱线提取准确等特点。用该方法提取sloan digital sky survey(SDSS)光谱中的谱线后,计算了红移并与SDSS给出的红移进行了对比,实验结果间接验证了该方法提取谱线的有效性。     

一种基于交叉相关的类星体的红移测量方法

给出了一种新的类星体光谱的红移测量方法。首先,利用提取出的发射谱线信息确定一组红移候选;然后,按这些红移候选将静止模板光谱红移,计算所得光谱与目标光谱的相关值;最后,确定最大相关值对应的红移候选为目标光谱的红移。相对于已有的基于谱线匹配的方法,此方法的性能受谱线提取效果的影响较小。实验结果表明： 此方法的鲁棒性较好,性能优于基于谱线匹配的方法。     

基于均值漂移实现非发射线天体光谱的谱线自动提取

非发射线天体的光谱是天体光谱谱线提取中最难处理的一种。针对非发射线天体,给出了一种基于均值漂移的谱线自动提取方法。首先,利用均值漂移总是指向局部密度最大点也即密度的模式点这一性质,提取出较为满意的伪连续谱;其次,均值漂移滤波同时工作在空间域和幅度域上,是一种非线性的边缘保持滤波方法,在去除噪声的同时,能够较好地保持特征谱线的信息,文章在连续谱归一化后,采用均值漂移去噪得到谱线光谱;最后,对谱线光谱设置局部阈值提取出特征谱线。通过对恒星、正常星系等的实验表明：该方法是有效的, 这将对后续的参数测量和基于谱线的光谱分类非常有利。     

基于分形编码的天体光谱降噪方法

为了降低噪声影响,恢复光谱的连续谱和谱线等主要特征,以便准确测量谱线的等值宽度,文章根据天体光谱自身具有局部自相似性,而随机白噪声不具有自相似性,首次将分形方法应用于天体光谱降噪.实验表明,分形降噪方法对于准确测量谱线的等值宽度、星系红移等参数是有效的,此外,还可以实现数据压缩.分形方法适用于海量光谱的降噪和数据存储.     

一种新的活动星系光谱红移自动测量方法

星系红移的自动测量对进行大样本天文学研究如宇宙学大尺度结构研究具有重要意义。星系一般分为正常星系和活动星系两种,活动星系光谱一般具有较明显的发射线特征。文章提出了一种不用精确提取谱线而快速测量活动星系光谱红移的方法。该方法包括步骤：(1)对待测光谱进行去噪;(2)利用小波变换提取低频成分光谱,并用去噪后光谱减去低频谱得到残差谱;(3)计算残差谱的均方差,并保留大于阈值的波长集合(4)根据标准谱线表计算所有候选红移;(5)利用Parzen窗估计方法计算红移密度最大点,并在邻域内求均值确定最终红移。对模拟数据和SDSS DR7部分实测数据的测试表明,该方法是鲁棒的并且具有较高的红移测量正确率。     

LAMOST离群光谱J140242.45+092049.8特征分析

LAMOST巡天已获取超过100 000条星系光谱,为探索珍贵、稀有的天体从而完善现有科学理论提供了重要的数据条件。研究采用基于相关子空间的离群挖掘方法,从LAMOST DR3星系光谱数据中获得的离群数据挖掘结果中,针对呈现出多种稀有特征的光谱J140242.45+092049.8进行了深入分析。首先利用特征光谱线进行红移测量并交叉SDSS同源光谱提供的红移信息,测量并证认了该光谱的两套红移系统：吸收线系统z₁=0.020 95、发射线系统z₂=0.069 5。从整体上,通过交叉现有文献及SDSS图像特征,分析了该“吸收+发射”模式的双红移系统属于透镜星系的可能性,而红移间隔Δz=0.048远大于Keel指出的双星系具有物理关系的临界0.008,意味着该目标前景与背景星系之间只是视向重叠,即视向星系对,没有相互的物理作用;对于前景星系(吸收线系统),通过测量光谱中呈现的特殊的特征线强度,分析了属于E+A星系的可能性;对于背景星系(发射线系统)光谱中呈现的双峰特征,分析了该光谱来自双峰发射线星系的可能性;此外,初步分析了该光谱中背景星系发射线强度关系异常的原因。     

莱曼α森林

直至本世纪六十年代,人类还无法探测到分布在遥远星系际空间的物质.而对这些物质的密度、成分和分布的探测对于了解星系的形成和宇宙演化都是极为重要的. 类星体及其光谱中吸收线的发现为研究星系际物质物理学提供了重要的手段.类星体是宇宙中最“明亮”的天体,因而也是可被观测到的最遥远的天体.迄今观测到的谱线红移最高的类星体.其红移值为Z=4.43,相应的到我们的距离约为宇亩半径的93%.从如此遥远天体发射的光,将通过广阔的星系际空间才能到达地球.星系际空间的物质对光的吸收.将在类星体光谱上产生一系列的吸收线.对这些吸收线的分析研…     

基于多分辨率融合距离的低质量星系光谱红移测量方法

星系光谱红移测量是大规模天体光谱巡天项目中的一个重要研究内容,其目的是从在光谱中测量出对应星系由于多普勒效应引起的红移。随着银河系外巡天项目的开展,观测目标距离(红移)越来越远,其星等越来越暗,光谱的质量也随之越来越差,如何能够有效准确地从这些低质量的光谱测量出红移是河外巡天面临的一个重要问题。基于此问题,充分考虑到低质量星系光谱的特点及数据特征,新定义了一种针对低质量巡天光谱数据的多分辨率融合距离,以此为基础提出一种针对低质量星系光谱的红移测量方法。该方法充分结合不同分辨率下光谱的特征,计算距离时首先将模板光谱和待测光谱同时降到多个相同分辨率下,该分辨率下所有波长采样点都计算一个偏差进而得到一个距离,然后将多个分辨率下得到的距离通过加权得到一个融合距离。基于多分辨率融合距离提出的星系红移测量方法,能够有效的解决低质量星系光谱的红移无法准确测量的问题。研究了不同信噪比下红移测量的精度,在信噪比大于5之后,该方法测量准确率可以达到90%以上。大量实验表明,提出的方法在星系光谱质量较低的情况可以非常准确地从中测量出红移,测量误差和红移大小无关,可以很好地应用于大规模巡天数据的星系光谱红移测量中。     

基于相似性度量的星系光谱红移估计

光谱的自动分析对大规模的光谱巡天有着非常重要的意义。文章提出了一种基于相似性度量的星系光谱红移测量方法。方法中采用主分量分析构造星系光谱的静止模板,利用谱线特征确定观测光谱的红移候选,然后根据红移候选进行观测光谱与模板光谱间的相似性度量,所采取的相似性度量策略类似于证据积累的思想,定义为几个相似证据的加权和,从而降低了观测光谱与模板光谱之间的误匹配,提高了红移估计的正确率。通过实验将所提出方法与基于谱线匹配的方法和传统的交叉相关方法进行了比较,实验结果表明：本文方法的正确率较之基于谱线匹配的方法和传统相关法有较大提高。     

基于核岭回归方法的恒星大气物理参数的自动测量

我国大科学工程项目LAMOST巡天计划每观测夜能获取多达数万条天体光谱数据,天文学家通过对天体光谱的分析观察可以获取有效的天文信息用于天文学或天体物理学的研究。而针对海量数据,寻找自动方法分析天体光谱并进行天体各种物理参数的测量就具有重要研究意义和价值。这一课题也吸引了许多学者进行研究,但目前所尝试的算法和相应结果仍然需要进一步改进,针对这一需求深入研究了核岭回归(KRR)方法在恒星大气物理参数(包括有效温度、表面重力和金属丰度)自动测量方面的应用,特别是在我国大科学工程项目LAMOST所释放光谱数据上的应用。核岭回归是岭回归算法的进一步发展,而岭回归是最小二乘方法的一种变形,其具有解决高维多重共线性问题的能力。所以KRR方法适合于处理高维的天体光谱信息,从LAMOST的第五期释放数据中随机选择了2万条被识别为恒星的光谱数据用于实验测试,该数据既包含低信噪比数据,也包含高信噪比数据(g,r,i波段平均信噪比最低至6.7,最高到793)。首先,本文对光谱进行预处理,包括三个步骤:(1)利用小波变换对光谱数据进行去噪处理;(2)因为LAMOST采用的是后期修正的流量定标设计,所以还通过流量归一化来避免部分光谱流量值不准确的问题;(3)由于每条光谱维数高达数千维,利用主成分分析方法(PCA)对光谱进行了降维。然后,利用KRR方法建立了光谱数据和标准化后的三大参数值之间的回归模型。最后,通过设计进行不同的组合实验对KRR算法模型进行了测试分析,并与经典算法支持向量回归(SVR)进行了对比。综合所有实验结果显示KRR方法对应的有效温度、表面重力和金属丰度的测试平均绝对误差分别为82.9897 K,0.1858 dex和0.1211 dex,优于SVR的144.2308 K,0.1886 dex和0.1246 dex。特别是KRR在温度测试结果上有较大优势,由此表明KRR方法能够有效地应用于天体光谱特别是恒星光谱参数的自动测量处理中。     

Rapid Identification of Bacterial Species by Fluorescence Spectroscopy and Classification Through Principal Components Analysis

This work presents the development of a method for rapid bacterial identification based on the autofluorescence spectrum. It was demonstrated differences in the autofluorescence spectrum in three bacterial species and the subsequent separation, through the Principal Components Analysis (PCA) technique, in groups with high likeness, that could identify the bacteria in less than 10 min. Fluorescence spectra of 60 samples of 3 different bacterial species (Escherichia coli, EC, Enterococcus faecalis, EF and Staphylococcus aureus, SA), previously identified by automated equipment Mini API, were collected in 10 excitation wavelengths from 330 to 510 nm. The PCA technique applied to the fluorescence spectra showed that bacteria species could be identified with sensitivity and specificity higher than 90% according to differences that occur within the spectra with excitation of 410 nm and 430 nm. This work presented a method of bacterial identification of three more frequent and more clinically significant species based on the autofluorescence spectra in the excitation wavelengths of 410 and 430 nm and the classification of the spectra in three groups using PCA. The results demonstrated that the bacterial identification is very efficient with such methodology. The proposed method is rapid, ease to perform and low cost compared to standard methods.     

基于神经网络的模板匹配方法求正常星系红移

星系通常分为正常星系(NG)与活动星系(AG)两类。文章提出了一种自动获取NG红移的快速有效方法: (1) 由NG模板根据红移范围Ⅰ: 0.0～0.3与Ⅱ: 0.3～0.5模拟得到两类星系样本, 进行PCA变换获得样本特征向量; (2) 利用概率神经网络设计两类样本特征向量的Bayes分类器; (3) 对于实际NG光谱数据, 利用Bayes分类器进行分类确定其红移的范围, 然后在此范围内进行模板匹配得到红移的准确值。与在整个红移范围内的模板匹配方法相比, 此方法不但节省了50%的模板匹配运算量, 而且还大大提高了红移值测量的精度。文章研究结果对于大型光谱巡天所产生的海量数据的自动处理具有重要意义。     

一种基于PCA和Hough变换的类星体自动识别方法

确定类星体的红移是类星体识别的一个重要目标。由于过去类星体发射谱的静止发射谱模板主要靠天文学家的先验知识得到 ,因此采用模板匹配的方法效果一般不太理想。本文的主要工作有以下二个方面 :(1 )选用了主分量分析方法构造类星体静止发射谱的模板 ,这样 ,模板来源于实际光谱 ,而不是依赖于天文学家的推断 ,因此更加接近实际情况 ;(2 )用二维Hough变换来自动确定红移值。尽管理论上来说 ,只有一个红移参数需要确定 ,但观测发现 ,在大多数情况下发射峰的强度同时发生了变化 ,故在Hough变换中加入强度比例因子作为另一个参数 ,这样可有效提高正确识别率。实验证明 ,本文所提出的方法是可行的 ,正确识别率可达 90 %左右。     

太湖水体反射率的光谱特征波长分析

水体反射率的光谱特征波长分析是解决内陆水色遥感难题的一项重要的基础工作.该文分析了2006-2009年七次太湖综合实验获取的312个采样点遥感反射率,找出反射率曲线出现极大值、极小值、由凹向凸转变的拐点、由凸向凹转变的拐点对应的特征波长,给出了太湖水体反射率350～900nm范围内的光谱特征波长:359,440,464,472,552,566,583,628,636,645,660,676,689,706,728,791,806和825 nm.最后用浮游植物色素的吸收光谱、太湖水体特有的组成成分解释了特征波长.文章分析特征波长的方法,对于各种光谱曲线的特征波长分析都适用,该方法能够有效地区分曲线峰值所在波长和谷值所在波长重叠的情况.该文的研究成果有利于建立反演水质参数的算法,从而提高反演算法的精度.     

Multiple narrow bandpass optical filters based on one-dimensional rugate photonic structures of two periodicities

A theoretical analysis of a design of multiple narrow bandpass filters based on one-dimensional (1D) rugate photonic structures with a period jump defect is presented. The optical properties, including transmittance and energy density distributions, are numerically calculated using the propagation matrix method. Our results show that multiple resonance transmission modes are produced when the period jump defect is introduced into the 1D rugate film. Both blueshift and redshift of the stop band of the rugate structure and wavelengths of resonant modes are observed, depending on the change of period jump. The number, the wavelengths, the band intervals, and the intensities of multiple resonance transmission modes are tunable by adjusting structure parameters of the rugate structure. Experimental feasibility of the proposed multiple narrow bandpass optical filters using the technique of glancing angle deposition is also discussed.     

面向LAMOST的天体光谱离群数据挖掘系统研究

在宇宙中寻求未知天体是人类探索宇宙奥妙所追求的目标之一,离群数据挖掘是发现未知天体光谱数据的一种有效途径。文章首先以VC++和Oracle9i为开发工具,设计与实现了面向LAMOST的恒星光谱离群数据挖掘系统,并给出了其软件体系结构和模块功能。其次,对基于中值滤波器的恒星光谱数据预处理、基于距离的恒星光谱数据聚类、基于距离支持度的恒星光谱数据离群数据挖掘、基于主分量分析法PCA的恒星光谱数据离群数据的三维可视化等主要关键技术进行了详细描述。最后,基于SDSS恒星光谱数据的运行结果表明,利用该系统寻找天体光谱离群数据是可行的,从而为寻找未知的、特殊的天体光谱数据提供了一种新途径。