专利名称：一种适应温度压强变化的气体幅射谱不变特征提取方法
技术领域：
本发明属于基于谱特征的时变识别领域，具体涉及一种气体幅射谱特征提取方法。
背景技术：
常规探测手段一般使用单谱段成像探测方法，在较宽的谱段上采集待识别/背景能量，此时待识别往往淹没于复杂的背景杂波之中或被干扰、伪装等隐蔽，表现为待识别信号非常微弱，信噪比、信杂比很低。然而待识别对象固有的物理、化学特性和结构等与背景、 干扰、伪装等有较大差别，因此在某些谱线或较窄的谱段上，其特征会比较明显，即在这些谱线或较窄谱段上，待识别对象相对背景的信噪比、信杂比较高。通过谱指纹的提取，利用待识别在这些谱线上的独特的谱特征，可以大大提高待识别的可探测性。对待识别、背景的多光谱信息进行有效的选择、提取、分析，并将谱信息、图像信息与时间变化信息融合起来，可实现简化系统、优化配置、优势互补，大大提高复杂条件下待识别探测、识别的可靠性。随着波段数量的增多，待识别探测时可以根据需要选择或提取特定的波段突出待识别特征，光谱特征的选择变得更加灵活和多样。同时，光谱数据中蕴含丰富的待识别光谱知识，这些光谱知识通过不同的表现和组合方式可以转化为不同的特征，可以为待识别探测和识别提供更广泛的特征分析空间。另外，各类地物都有自己的光谱反射和辐射特性，利用不同地物的光谱特征，可以实现地物的分类和识别。因此，谱指纹特征提取成为识别研究中的重要内容。自上世纪九十年代，国外出现了进行高光谱图像待识别检测算法理论研究的研究组，如美国马里兰大学巴尔的摩分校遥感信号和图像处理实验室的Chang组，美国麻省理工学院林肯实验室Manolakis组等等。至今，使用谱进行识别依然存在着难题(如图3所示)谱会随待识别本体温度、压强等物理条件的改变发生变化.因此，提取谱独特的不变特征成为基于谱指纹多谱图(像)待识别与检测的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗温度压强变化的气体幅射谱特征提取方法，为复杂条件下的识别与检测提供良好支撑。—种基于幅射谱特征提取的气体目标识别方法，涉及用以匹配的指纹图库，谱指纹图库包含对多个参考谱分别采用一维曲率尺度空间描述方法生成的指纹图，该方法具体为(1)对气体目标谱采用一维曲率尺度空间描述方法生成指纹图；(2)分别提取目标谱指纹图和指纹图库中所有参考谱指纹图的指纹特征，所述指纹特征为指纹图中拱形顶点的二维坐标值；(3)更新参考谱指纹图氏的所有拱形顶点的Y轴坐标值为其与高度修正参数&的乘积，其中Λ，i = 1,2-, N, N为参考谱总数，(为第i个参考谱指纹图的拱形顶
点中最大的Y轴坐标值，f为目标谱指纹图的拱形顶点中最大的Y轴坐标值；(4)在步骤C3)更新后的参考谱指纹图中，以拱形顶点位置最接近为标准搜寻与目标谱指纹图最匹配的参考谱指纹图Rm，并记录Rm的各拱形顶点分别与其在目标谱指纹图对应的拱形顶点的二维坐标值差异，对得到的二维坐标值差异求和得到匹配代价(5)若步骤(4)计算得到的匹配代价小于判别阈值，则判定气体目标为R对应的气体。进一步地，所述步骤(4)具体为(41)对目标谱指纹图和步骤C3)更新后的参考谱指纹图的所有拱形顶点二维坐标值分别进行归一化处理；(42)归一化处理后，目标谱指纹图中最大Y轴坐标值的拱形顶点T。与参考谱指纹图氏中最大Y轴坐标值的拱形顶点&构成初始节点(L&)，i = 1,2-,N；(43)计算初始节点中T。与&的二维坐标值差异Δ0《，标记拱形顶点Τ。和& ；(44)从，i = 1,2-, N中选出最小者，其对应参考谱指纹图记为Rm ；若目标谱和Rm均存在未标记拱形顶点，进入步骤0 ，若仅有目标谱或仅有参考谱指纹图Rm存在未标记拱形顶点，进入步骤G6)，若目标谱和参考谱指纹图Rm均不存在未标记拱形顶点， 进入步骤(47)；(45)分别在目标谱和参考谱指纹图Rm内未标记的拱形顶点中寻找Y轴坐标值最大的拱形顶点构成节点，计算该节点中两顶点的二维坐标值差异Δ，更新Δ ORm=，标记该节点中的两拱形顶点，返回步骤G4)；(46)计算目标谱或参考谱指纹图Rm中的未标记拱形顶点的二维坐标值之和Δ， 更新Δ Wm = Ac^+Δ，标记这些未标记拱形顶点，返回步骤G4).(47)记Rm为目标谱指纹图最匹配的参考谱指纹图，为匹配代价，结束。本发明的技术效果体现在在条件发生变化所引起的谱表观上的改变后能有效地获取谱内蕴的不变特征，不受建立谱数据库时对样本采集的条件影响，为适应复杂条件下识别与检测奠定良好基础。 本发明提出谱指纹特征提取的新策略，解决提取不变特征的问题，为基于谱特征的复杂条件下识别提供支撑。
图1为本发明步骤流程图；图2为本发明效果流程图；图3为谱线在不同物理条件下的变化，图3 (a)为气体二氧化碳在不同温度下的幅射谱；图3(b)为气体二氧化碳在不同压强下的幅射谱；图4为气体二氧化碳在温度变化下的谱特征提取结果.图4(a)为气体二氧化碳不同温度下的辐射谱；图4(b)为此物质在实线幅射谱的谱指纹图；图4(c)为此物质在虚线代表幅射谱的谱指纹图；图4(d)为初始特征分布；图4(e)为修正后特征分布。
图5为同类物质在压强变化下的谱特征提取结果.图5(a)为气体二氧化碳不同压强下的辐射谱；图5(b)为此物质在虚线表示的幅射谱的谱指纹图；图5(c)为此物质在实线表示的幅射谱的谱指纹图；图5(d)为初始特征分布；图5(e)为修正后特征分布。图6为同类物质在温度和压强同时变化下的谱特征提取结果.图6(a) 二氧化碳不同物理状态(温度、压强均改变)下的辐射谱；图6(b)虚线表示的幅射谱的指纹图；图 6(c)实线表示的幅射谱的指纹图；图6(d)初始特征分布；图6(e)修正后特征分布。图7为异类物质的谱特征提取结果.图7 (a)为两种不同物质的辐射谱.图7 (b) 为虚线代表谱指纹图；图7(c)为实线代表谱指纹图；图7(d)为初始特征分布；图7(e)为修正后特征分布。
具体实施例方式本发明的不变特征是指在多谱和超谱探测传感器条件下能获取的与待识别相关的独特的谱特征，并且该谱特征在不同的环境条件下保持不变。本发明处理流程如图1和2所示，具体为(1)对参考谱和待识别谱分别使用一维曲率尺度空间(CSQ生成指纹图。①创建一张空的指纹图，建立二维坐标轴，其中X轴代表波数，Y轴到表尺度参数；②选用一个较小的尺度参数值作为当前尺度参数；③依据当前尺度参数生成一维高斯核，并把谱数据视为一维矢量数据与当前尺度参数对应的的一维高斯核进行卷积运算；④对卷积后得到的结果求二阶导数，记录二阶导数过零点出现的位置信息(包括波数和尺度参数)，在步骤①中创建的指纹图对应位置上作标记；⑤获取更大的尺度参数，重复进行步骤③至④，直到不再产生新的二阶导数过零点为止。(2)提取初始指纹特征指纹图在表观上为若干拱形，以拱形的高度(即Y轴坐标)和位置(即X轴坐标) 为初始指纹特征。(3)初始特征修正以参考谱指纹图中最高拱形的顶点高度为标准，对待识别谱指纹图中最高拱形的顶点进行高度拉伸，使其与前者重合.计算高度修正参数
权利要求
1.一种基于幅射谱特征提取的气体目标识别方法，涉及用以匹配的指纹图库，谱指纹图库包含对多个参考谱分别采用一维曲率尺度空间描述方法生成的指纹图，该方法具体为(1)对气体目标谱采用一维曲率尺度空间描述方法生成指纹图；(2)分别提取目标谱指纹图和指纹图库中所有参考谱指纹图的指纹特征，所述指纹特征为指纹图中拱形顶点的二维坐标值；(3)更新参考谱指纹图Ri的所有拱形顶点的Y轴坐标值为其与高度修正参数&的乘积，其中，束=1^^^ = 1,2-, N, N为参考谱总数，(为第i个参考谱指纹图的拱形顶点中最大的Y轴坐标值，f为目标谱指纹图的拱形顶点中最大的Y轴坐标值；(4)在步骤C3)更新后的参考谱指纹图中，以拱形顶点位置最接近为标准搜寻与目标谱指纹图最匹配的参考谱指纹图Rm，并记录Rm的各拱形顶点分别与其在目标谱指纹图对应的拱形顶点的二维坐标值差异，对得到的二维坐标值差异求和得到匹配代价(5)若步骤(4)计算得到的匹配代价小于判别阈值，则判定气体目标为R对应的气体。
2.根据权利要求1所述气体目标识别方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为(41)对目标谱指纹图和步骤C3)更新后的参考谱指纹图的所有拱形顶点二维坐标值分别进行归一化处理；(42)归一化处理后，目标谱指纹图中最大Y轴坐标值的拱形顶点T。与参考谱指纹图氏中最大Y轴坐标值的拱形顶点&构成初始节点(l&)，i = 1,2-,N；(43)计算初始节点中T。与、的二维坐标值差异Δ0《，标记拱形顶点Τ。和、；(44)从，i= 1,2-, N中选出最小者Δ^，其对应参考谱指纹图记为Rm ；若目标谱和Rm均存在未标记拱形顶点，进入步骤0 ，若仅有目标谱或仅有参考谱指纹图Rm存在未标记拱形顶点，进入步骤G6)，若目标谱和参考谱指纹图Rm均不存在未标记拱形顶点，进入步骤(47)；(45)分别在目标谱和参考谱指纹图Rm内未标记的拱形顶点中寻找Y轴坐标值最大的拱形顶点构成节点，计算该节点中两顶点的二维坐标值差异Δ，更新Δ ORm=，标记该节点中的两拱形顶点，返回步骤G4)；(46)计算目标谱或参考谱指纹图Rm中的未标记拱形顶点的二维坐标值之和△，更新 Δ Wm = Ac^+Δ，标记这些未标记拱形顶点，返回步骤Q4).(47)记Rm为目标谱指纹图最匹配的参考谱指纹图，Ac^为匹配代价，结束。
全文摘要
本发明提供一种基于幅射谱特征提取的气体目标识别方法，对气体目标谱采用一维曲率尺度空间描述方法生成指纹图，提取指纹图的指纹特征即拱形顶点的位置，以指纹特征最接近作为基准进行目标匹配识别。本发明提取不受温度和压强影响的幅射谱内蕴的稳定特征，具有抗条件变化的鲁棒性和优良区分能力，为复杂条件下基于谱的待识别提供支撑。
文档编号G01N21/25GK102346129SQ201110181499
公开日2012年2月8日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者付平, 张伟, 张天序, 徐利成, 方正, 杨卫东, 王娟, 郑珍珠, 颜露新 申请人:华中科技大学