恒星连续谱自动拟合的方法和装置

1.本公开涉及光谱处理技术领域，尤其是涉及一种基于窗口选点的适用于中分辨率的恒星连续谱自动拟合的方法和装置。


背景技术：

2.随着光谱巡天项目的开展，一批中高分辨率的巡天项目应运而生。比如斯隆望远镜(sdss)的apogee巡天项目和郭守敬望远镜(lamost)的二期中分辨率巡天项目。目前lamost的二期巡天已向全世界公开发布了600多万条的中分辨率(r～7500)光谱数据。恒星光谱的连续谱处理对于恒星分类和恒星参数测量来说是非常重要的，连续谱处理的好坏可能直接影响光谱分析的结果。如此大量的光谱数据，采用传统人工处理光谱连续谱的方法将是不现实的。如何能够自动化进行恒星连续谱的拟合是非常重要的。
3.在相关技术中，常采用直接多项式拟合或基于统计窗的分段拟合，这两种方法均存在宽特征被低估的情况，具体体现在，中分辨率光谱密集的谱线使得多项式拟合整体向谱线处倾斜，导致最终拟合的连续谱整体会被低估。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种恒星连续谱自动拟合的方法，包括：
5.获取待处理的观测光谱；
6.对所述观测光谱进行加窗选取；
7.剔除窗口内呈高斯分布的光谱的两端的预设数量的采样点，在剩余的采样点中选取光谱流量局部最高的点作为候选点；
8.对所述候选点中的异常点进行优化处理；以及
9.对优化后的候选点进行多项式拟合得到所述观测光谱的连续谱。
10.根据本公开的一些实施例，对所述候选点中的异常点进行优化处理之前还包括：确定所述候选点中的异常点。
11.根据本公开的一些实施例，所述确定所述候选点中的异常点包括：将所述候选点中数值高于相邻采样点第一预设阈值或数值低于相邻采样点第二预设阈值的候选点确定为异常点。
12.根据本公开的一些实施例，所述第一预设阈值和所述第二预设阈值的范围包括8％～12％。
13.根据本公开的一些实施例，对所述候选点中的异常点进行优化处理包括：
14.根据所述异常点相邻的采样点通过线性内插的方法生成一个替换点，将所述替换点代替该异常点。
15.根据本公开的一些实施例，所述预设数量的范围包括10～20％。
16.根据本公开的一些实施例，对所述观测光谱进行加窗选取之前还包括：
17.将所述观测光谱的两端分别延伸半个窗宽的采样点，以降低窗口移动过程中的边缘效应。
18.根据本公开的一些实施例，所述观测光谱中每一条谱线包括最少5个采样点。
19.根据本公开的一些实施例，所述加窗选取的窗口的宽度大于所述观测光谱的谱线宽度的10倍。
20.根据本公开的一些实施例，对所述候选点中的异常点进行优化处理之前还包括：
21.剔除位于光谱中位于蓝端的mgb区域和红端的halpha区域的候选点。
22.本公开的实施例还提供了一种恒星连续谱自动拟合的装置，包括：
23.光谱获取模块，用于获取待处理的观测光谱；
24.加窗选取模块，对所述观测观测光谱进行加窗选取；
25.候选点选取模块，剔除窗口内高斯分布两端的预设数量的采样点，在剩余的采样点中选取光谱流量局部最高的点作为候选点；
26.优化模块，对所述候选点中的异常点进行优化处理；以及
27.拟合模块，对优化后的候选点进行多项式拟合得到所述观测光谱的连续谱。
28.通过本公开的上述实施例，通过对光谱加窗取样并筛选候选点，在剔除异常点的影响后，通过候选点对光谱连续谱进行拟合，能够有效地降低宽特征被低估的程度，能够准确地拟合出光谱的连续波。
附图说明
29.图1示意性示出了相关技术中低分辨率光谱的多项式拟合连续谱的示意图；
30.图2示意性示出了相关技术中中分辨率光谱的多项式拟合连续谱的示意图；
31.图3示意性示出了本公开实施例的恒星连续谱自动拟合的方法的流程图；以及
32.图4示意性示出了本公开实施例的恒星连续谱自动拟合的方法的效果图。
具体实施方式
33.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
34.但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
35.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。
36.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
37.在相关技术中，光谱连续谱的拟合方法包括：
38.(1)直接多项式拟合
39.该方法通过迭代利用低阶多项式拟合光谱。通过判断光谱上的点与多项式的距离，剔除光谱上距离多项式远的点，再次多项式拟合，如此反复多次直到没有较远的点为止，最后的拟合多项式为恒星的连续谱。如图1所示的对低分辨率光谱的多项式拟合连续谱的示意图。
40.(2)基于统计窗的分段拟合
41.该方法还是利用多项式拟合，只是将一条光谱分解成多个部分，每一部分为一个统计窗口，针对每个窗口进行单独的迭代多项式拟合。对于多个窗口拟合的多项式，最后合在一起进行一次整体的多项式拟合来确定最终的连续谱。
42.(3)基于选区间点的拟合
43.该方法是通过人工或者程序自动选取某光谱段中的点，对这些点进行低阶多项式拟合。选点的准则是事先预判的某些区域，比如特征较少的区域的点，一般是一段平滑的区域，也就是谱线比较少的地方。然后对选取的区域进行多项式拟合确定连续谱。
44.(4)基于模板匹配的拟合
45.该方法是通过模板匹配确定模板光谱与观测光谱间的多项式改正项，将多项式改正项乘以模板光谱的连续谱而得到实测光谱的连续谱。此方法虽然能够有效降低信噪比的影响，但是需要先确定该恒星光谱的参数信息。
46.上述拟合方法分别具有如下的缺陷：
47.(1)直接多项式拟合的方法虽然通过迭代去掉了光谱上距离连续谱远的点，但对于宽特征的区域，其线翼部分仍然会受到很大的影响。因为是使用统一的规则判定哪些点距离远，所以会出现谱线深或者宽的地方去不干净，如图1所示，这样使得最终通过多项式拟合的连续谱(谱线中白色的曲线)会偏向谱线方向，与光谱的实际连续谱存在一定的差距。
48.(2)基于统计窗的分段拟合的缺点与方法(1)相同，虽然统计窗改进了使用统一的规则判定，每个窗口内单独处理。但仍然不能改进宽特征被低估的情况。
49.(3)基于选区间点的拟合的缺点：虽然能够有效的避开光谱中的强特征位置，包括吸收线、发射线和吸收带等。对于光谱信噪比比较高，光谱平滑区域易确定的恒星光谱，该方法能够获得较好的拟合效果。但对于中分辨率光谱来说，因为其覆盖的波段较短，很难事先找到一段平滑的区域，应用受限制。
50.(4)基于模板匹配的拟合的缺点：该方法依赖于事先人工确定的模板连续谱。而且需要先确定恒星光谱的参数，根据参数找到最佳匹配的模板，然后求出模板与观测光谱间的多项式改正项，最终才能确定观测光谱的连续谱。针对大批量不知道分类信息，也不知道参数信息的中分辨率光谱来说，该方法的实现需要巨大的计算代价去寻找最佳匹配的模板，然后才能根据最佳匹配的模板计算观测光谱的连续谱。巨大的运算代价限制了此方法的应用范围，如果已经确定了观测光谱的恒星参数，此方法能够快速有效地确定观测光谱的连续谱，如果观测光谱的参数信息不知道，此方法需要自己去大量模板中寻找到最佳匹配，并且每次寻找都需要计算多项式改正项。
51.与低分辨率光谱相比，中分辨率光谱覆盖的波长范围更窄，谱线分布更密集，图2示意性示出了相关技术中中分辨率光谱的多项式拟合连续谱的示意图，图2所示的为一条lamost观测的中分辨率光谱，中分辨率光谱密集的谱线使得多项式拟合整体向谱线处倾
斜，导致最终拟合的连续谱整体会被低估。由于中分辨率光谱覆盖的波段较短，很难预先定义一段谱线较少的光滑区域。这就使得相关技术中的方法(1)、(2)和(3)不能应用到中分辨率的连续谱拟合中。对于新的巡天任务来说，几百万的中分辨率光谱既没有光谱分类信息，也没有其恒星参数信息，光谱连续谱的求取本身就是为了后续的恒星参数确定，这也使得方法(4)无法应用到中分辨率光谱的连续谱拟合中。
52.为了解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种恒星连续谱自动拟合的方法，如图3所示，包括操作s101至操作s105。
53.根据本公开的一些实施例，操作s101包括：获取待处理的观测光谱。
54.根据本公开可选的一些实施例，观测光谱可以通过郭守敬望远镜(lamost)在巡天过程中获取的恒星光谱，其中，lamost中分辨率光谱，其分辨率约为其最大采样间隔约为
55.根据本公开的一些实施例，操作s102包括：对观测光谱进行加窗选取。
56.根据本公开的一些实施例，操作s103包括：剔除窗口内呈高斯分布的光谱的两端的预设数量的采样点，在剩余的采样点中选取光谱流量局部最高的点作为候选点。
57.根据本公开的一些实施例，操作s104包括：对候选点中的异常点进行优化处理。
58.根据本公开的一些实施例，操作s105包括：对优化后的候选点进行多项式拟合得到观测光谱的连续谱。
59.根据本公开的一些实施例，对候选点中的异常点进行优化处理之前还包括确定候选点中的异常点。
60.在本实施例中，确定候选点中的异常点包括：将候选点中数值高于相邻采样点第一预设阈值或数值低于相邻采样点第二预设阈值的候选点确定为异常点。
61.根据本公开的一些实施例，第一预设阈值和第二预设阈值的范围包括8％～12％。
62.根据本公开可选的一些实施例，候选点中数值高于或低于相邻采样点数值10％的点即为异常点，不能做位候选点进行拟合。
63.图4示意性示出了本公开实施例的恒星连续谱自动拟合的方法的效果图。
64.根据本公开的一些实施例，对候选点中的异常点进行优化处理包括：根据异常点相邻的采样点通过线性内插的方法生成一个替换点，将替换点代替该异常点。如图4所示，图中方块标记的候选点为异常点，三角形标记的点为通过线性内插的方法生成的替换点。
65.根据本公开的一些实施例，剔除窗口内呈高斯分布的光谱的两端的采样点的预设数量的范围包括10～20％。可选的，按照自然噪声分布，窗口内采样点的流量分布为高斯分布或者近似为高斯分布，剔除高斯分布两端15.5％的采样点。
66.根据本公开的一些实施例，对观测光谱进行加窗选取之前还包括将观测光谱的两端分别延伸半个窗宽的采样点，以降低窗口移动过程中的边缘效应。
67.根据本公开的一些实施例，观测光谱中每一条谱线包括最少5个采样点。
68.根据本公开的一些实施例，加窗选取的窗口的宽度大于观测光谱的谱线宽度的10倍。可选的，以lamost为例，窗口的窗宽为
69.根据本公开的一些实施例，对候选点中的异常点进行优化处理之前还包括剔除位于光谱中位于蓝端的mgb区域和红端的halpha区域的候选点，如图4所示，其中，标记为五角
星的点即为蓝端的mgb区域和红端的halpha区域的候选点。
70.本公开的实施例还提供了一种恒星连续谱自动拟合的装置，包括光谱获取模块、加窗选取模块、候选点选取模块、优化模块和拟合模块。
71.根据本公开的一些实施例，光谱获取模块用于获取待处理的观测光谱。
72.根据本公开的一些实施例，加窗选取模块用于对观测光谱进行加窗选取。
73.根据本公开的一些实施例，候选点选取模块用于剔除窗口内高斯分布两端的预设数量的采样点，在剩余的采样点中选取光谱流量局部最高的点作为候选点。
74.根据本公开的一些实施例，优化模块用于对候选点中的异常点进行优化处理。
75.根据本公开的一些实施例，拟合模块用于对优化后的候选点进行多项式拟合得到观测光谱的连续谱。
76.通过本公开的上述实施例，通过对光谱加窗取样并筛选候选点，在剔除异常点的影响后，通过候选点对光谱连续谱进行拟合，能够有效地降低宽特征被低估的程度，能够准确地拟合出光谱的连续波。
77.本公开提供的恒星连续谱自动拟合的方法和装置，具有比较高的稳定性，充分考虑了中分辨率光谱的噪声分布，一般来说，引起光谱流量值较大波动的通常是宇宙射线，宇宙射线会在某一个波长点上引起流量的极大值，通过窗口内流量点的统计分布，可以很好的去掉强噪声的影响。对候选点的异常判断进一步降低了噪声的影响。使本公开的方法具有较高的稳定性。并且，本公开提供的方法计算代价小，提高了大型巡天望远镜的数据处理效率。且本公开提供的方法对连续谱的拟合独立于光谱处理本身，不需要知道光谱的其他信息，有效提高了计算效率。
78.至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
79.还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
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10％的变化、在一些实施例中
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5％的变化、在一些实施例中
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1％的变化、在一些实施例中
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0.5％的变化。
80.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
81.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。