基于SSTransformer的恒星亚型光谱分类方法研究

恒星的分类问题一直是天文研究的一大热点,恒星的亚型分类对探究恒星演化、稀有天体识别等具有重大意义。针对LAMOST光谱亚型分类问题设计了SSTransformer(stellar spectrum transformer)分类模型,该模型主要由三部分组成,包括输入模块、嵌入模块、SST编码模块。在输入模块中,将光谱数据进行分块处理,这些块经过线性投射层被映射为向量。在嵌入模块中,为了提取有用的数据特征,将线性投射层的输出加入一个可学习的类别嵌入块,为了保留位置信息,再加入位置嵌入块,之后将这些数据特征向量送入SST编码模块。最后在SST编码模块中,对数据特征进行提取处理,并利用多层感知器结合新特征对恒星光谱进行分类。采用的A、F、G、K、M型恒星光谱数据均来自LAMOST DR8中的一维低分辨率光谱,35256条一维光谱数据用于SSTransformer模型的训练,8815条一维光谱数据用作模型的测试。为了加快模型的收敛速度,对数据采用Z-Score归一化处理。由于是多分类问题,实验采用了准确率、精确率、召回率、F1-Score、Kappa系数五个评价指标。实验结果证明,利用SSTransformer模型可实现对一维恒星光谱数据有效的筛选分类,分类准确率达到98.36%,比支持向量机(support vector machine,SVM)算法、极端梯度提升(eXtreme Gradient Boosting,XGBoost)算法,以及卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)的分类准确率更高。

中国SONG项目

恒星观测网络(Stellar Observations Network Group,简称SONG)由丹麦天文学家于2006年发起,计划在全球建设一个1米级望远镜网络,进行恒星和系外行星的观测研究。第一台SONG望远镜由丹麦出资,建设于西班牙加纳利群岛泰德天文台。中国于2009年正式加入该计划,成立中国SONG项目组,并建成第二台SONG望远镜。中国SONG望远镜经选址建设在位于青海省德令哈市的紫金山天文台青海观测站,2018年被命名为“落下闳-SONG望远镜”,2019年基于新的台址勘测结果和专家评审,计划搬迁至新的冷湖台址。本文介绍中国SONG项目相关情况、科学目标、已有进展和未来预期前景等。

一种基于主分量分析的恒星光谱快速分类法

恒星光谱分类是天体光谱自动识别中的重要组成部分。本文主要介绍一种实用的基于主分量分析(PCA)法对恒星光谱进行快速自动的分类方法。该方法在恒星的主分量空间中对样本点进行投影 ,并利用最近邻分类器进行分类 ,获得与恒星MK分类标准的光谱型基本一致的结果。本文的主要工作有 :(1 )利用PCA方法构造恒星光谱的特征矩阵 ,建构恒星的主分量空间 ;(2 )对恒星光谱进行主分量投影 ,对投影点进行光谱型和光度级的分类器设计 ,利用最近邻法分类 ,最后得出恒星的分类树。该分类法速度快 ,分类准确率较高 ,对目前许多大型光谱巡天计划所获得的大量光谱数据的处理有着重要的意义。

基于多类支持向量机的恒星光谱分类方法

支持向量机作为一种经典的分类方法被广泛应用于恒星光谱分类领域。该方法在实际应用中取得了较为理想的分类效果,但其面临无法解决多分类问题的挑战。在支持向量机的基础上,提出多类支持向量机,建立基于多类支持向量机的恒星光谱分类模型。该方法的最大优势是经过一次分类过程,可以确定多类样本的类属。SDSS DR8恒星光谱数据上的比较实验表明,本研究所提的方法较之已有多分类方法在分类性能上有一定的提升。

基于线指数特征的海量恒星光谱聚类分析研究

聚类分析是数据挖掘中用以发现数据分布和隐含模式的一种重要算法,能简单有效地研究大样本、多参量和类别未知的光谱数据。以线指数作为光谱数据的特征值能够在尽可能多的保留光谱物理特征的同时,有效解决高维光谱数据聚类分析中运算复杂度较高的问题。本文提出了基于线指数特征的海量恒星光谱数据聚类分析的方法,提取恒星光谱中的Lick线指数作为海量巡天光谱数据的特征,使用k均值聚类算法完成对光谱数据的聚类,然后对聚类结果进行有效的分析。实验结果证明该方法能够快速有效地将具有相似物理特征的恒星光谱数据聚集到一起,该方法可以应用到巡天数据的研究中。

星敏感器单星模拟光源系统

在星敏感器的标定检测中 ,通常要求提供一个模拟星 ,以便在实验室内标定星敏感器 ,从而减少大气变化的影响。模拟星的设备通常称为星模拟器 ,它们提供相对被测物体无限远的点光源作为模拟星 ,对其大小、光度 (星等值 )、光谱特性、色温类型等进行严格模拟。对实现模拟单星的研究作了详细的介绍。

线指数特征空间内恒星光谱离群数据挖掘与分析

大规模光谱巡天将产生海量的光谱数据,为搜寻一些奇异甚至于未知类型的光谱提供了机会,对这些特殊天体的研究有助于揭示宇宙的演变规律和生命起源,巡天数据的离群数据挖掘有助于这些特殊的光谱的发现。利用线指数对光谱数据进行降维能够在尽可能多的保留光谱物理特征的同时,有效解决高维光谱数据聚类分析中运算复杂度较高的问题。提出了基于线指数特征的海量恒星光谱离群数据挖掘及分析的方法,以恒星光谱的Lick线指数作为光谱数据的特征,利用聚类搜寻离群数据的方法在海量光谱巡天数据搜寻离群数据,以此为基础并给出线指数特征空间内离群光谱数据的分析方法。实验结果证明:(1)以线指数作为光谱的特征值能快速的完成对高维光谱数据的离群数据挖掘,可以解决高维光谱数据运算复杂度高的问题;(2)该方法是在聚类结果上进行的离群数据挖掘,能够有效的挖掘出数量较少的发射线恒星、晚M型恒星、极贫金属星、缺失数据光谱等数据;(3)线指数特征空间的离群数据挖掘可以得到线指数特征空间内特殊恒星的发现规则。本文所提出的基于线指数特征的离群数据挖掘及分析方法可以应用到巡天数据的相关研究中。

基于谱线特征匹配的恒星光谱自动识别方法

我国正在实施的大型巡天项目(LAMOST项目),急需恒星光谱的自动识别系统。文章给出了一种基于谱线特征匹配的恒星光谱自动识别方法。该方法由以下主要步骤组成:(1)利用小波变换的方法对观测光谱进行谱线特征提取;(2)将提取出的特征和恒星谱线的特征模板进行相关匹配;(3)根据相关匹配结果进行恒星光谱识别。通过对Sloan Digital Sky Survey(SDSS),Data Release Four(DR4)中的大量真实光谱数据实验表明,该方法具有对噪声鲁棒等特点,正确识别率高达96.7%。该方法可对相对定标的巡天光谱进行自动识别,符合LAMOST数据的要求,可为天文学家进行恒星和银河系的结构等研究提供帮助。

基于熵学习机的恒星光谱分类（英文）

数据挖掘被广泛应用于恒星光谱分类。为了提高传统光谱分类方法性能,提出熵学习机(Entropybased Learning Machine,ELM)。在该方法中,熵用来刻画分类的不确定性。为了得到理想的分类结果,分类的不确定性应最小,基于此,可得ELM的最优化问题。ELM在处理二分类问题和稀有光谱发现等方面具有一定优势。SDSS中K型、F型、G型恒星光谱数据集上的比较实验表明:ELM在进行恒星光谱分类时,其分类性能优于k近邻(k Nearest Neighbor)和支持向量机(Support Vector Machine)等传统分类方法。

基于光谱特征的恒星自动识别方法

我国正在实施的大型巡天项目(LAMOST项目),急需恒星光谱自动识别与分类系统并给出了一种基于光谱特征的恒星自动识别方法。该方法由以下主要步骤组成:(1)利用谱线小波特征进行恒星谱线整体估计和恒星Balmer线的检测;(2)利用吸收带小波特征进行吸收带位置和M型星特征频率检测;(3)根据以上检测结果进行发射线星、M型星和早型恒星识别。通过对(sloan digital sky survey,SDSS)(data releasefour,DR4)中的大量真实光谱数据实验表明,方法具有对噪声鲁棒等特点,发射线星识别率达到97.5%,M型星识别率达到98.1%,早型恒星识别率达到96.8%,类星体和星系的误识别率低于2%。该方法可对相对定标的巡天光谱进行自动识别,符合LAMOST数据的要求。

一种新的恒星大气物理参数自动估计方案SVR(Haar)

提出了一种新的恒星大气物理参数自动估计的新方案,并称之为SVR(Haar)。由于观测光谱受到大量宇宙辐射、大气和观测设备等引起的噪声干扰,且这种噪声干扰往往是其中的频率较高成分。所以该方案的基本思想是首先使用Haar小波剔除高频噪声成份,以提高恒星大气物理参数估计的准确性;然后使用支持向量机回归方法(SVR)对恒星参数做出估计,该方法能通过ε不敏感域进一步提高对光谱微小畸变和干扰的容许能力,增强解决方案的鲁棒性。为了验证SVR(Haar)方案的有效性,针对相关研究中的权威模拟恒星光谱和SLOAN发布的实测光谱,以及文献中的典型处理方法,做了大量比较实验。实验结果表明,所提出的SVR(Haar)恒星参数估计方案比文献中常用的主成分分析和非参数回归模型均要好。

一种恒星光谱分类规则后处理方法

随着LAMOST巡天的逐步实施,天体光谱数据量极大,对观测数据进行自动分类及分析具有重要的意义。采用常规方法获取的分类规则集中,往往存在大量冗余规则,影响了分类效率和质量。本文给出了一种基于谓词逻辑的分类规则后处理方法,通过利用谓词描述光谱分类规则,并对分类规则集进行谓词演算,消除冗余规则。最后,采用LAMOST观测的恒星光谱数据,实验验证该方法在保证分类准确率不降低的前提下,可大幅提高自动分类效率。

基于非参数回归与最近邻方法的恒星光谱自动分类

恒星光谱数据的自动识别与分类是现代巡天望远镜所产生的海量光谱数据处理的一项重要研究内容。针对流量未定标的低分辨率恒星光谱设计了一种有效的自动分类方案,实现恒星光谱的MK分类:光谱型及其次型分类,光度型分类。该方案由三部分实现:(1)连续谱归一化:基于小波技术提取低频信号逼近连续谱的方法;(2)七种光谱型及其次型的分类通过非参数回归方法实现。(3)光度型分类通过基于最近邻的χ2方法实现。实验结果表明该方案能够有效实现恒星光谱的MK分类,光谱型及其次型的分类精度为3.2个光谱次型,Ⅰ-Ⅴ光度型的正确识别率为60%,次优统计率为78%。该方案训练速度快,方法实现容易,适用于海量恒星光谱自动分类处理系统。

A型恒星光谱线指数岭回归有效温度的预测分析

天文光谱线指数数据能够较好地保留着恒星的物理特征信息,为此借助线指数特征数据构建多参数模型,有利于更好地回归分析数据的共变关系及谱线的内在规律。世界上光谱获取率最高的施密特天文望远镜LAMOST发布的观测光谱都已经过标记,利用天文可视化工具分析这些标记的恒星光谱线指数会产生预测因子自相关,多元线性回归时因变量存在共线性,导致方差较大、得到最小二乘回归系数不稳定,虽不影响使用回归的有效性,但较难从回归方程中得到独立预测因子的评估系数。利用LAMOST巡天光谱数据中A型恒星Lick线指数为数据源,选取有效温度 T eff 为7 000~8 500 K,取信噪比大于50的光谱特征值实现回归分析恒星参数 T eff 值,经箱线图呈现DR5星表中, A型光谱86 097条具备 T eff 值大样本光谱数据的整体分布,统计分析26种线指数的特征值后,选取分布相似且带宽为12 的kp12, halpha12和hgamma12字段,减少解释线指数变量的数目,优化冗余变量方差膨胀因子(VIF)系数。实验选取两两变量间观测数据集,局部拟合回归散点、同样的数据源使用散点图的总体轮廓生成高密度散点图,利用色差透明性突出显示数据密集区域。结果表明多元线性回归和岭回归算法都能从低分辨率光谱中确定A型恒星的有效温度,但经过共线性数据分析有偏估计实验,使用岭回归分析寻找最佳模型,能更准确地确定恒星有效温度,进而得到预测A型恒星有效温度及谱线回归特性。

一种新的恒星光谱间距离度量方法：残差分布距离

距离度量是光谱巡天数据处理中的一个重要研究内容,其定义了一种不同光谱间的距离计算方法,以此为基础可进行光谱的分类、聚类、参数测量及离群数据挖掘等工作。距离度量方法的好坏在一定程度上影响了分类、聚类、参数测量及离群数据挖掘的效果及性能,同时随着大规模恒星光谱巡天项目的开展,如何针对恒星光谱定义更为有效的距离度量方法成为其数据处理中一个非常关键的问题。基于此问题,在充分考虑到恒星光谱的特点及其数据特征的基础上,提出一种新的恒星光谱间的距离度量方法:残差分布距离。该距离度量有别于传统计算恒星光谱间距离计算方法,利用该方法计算恒星光谱间的距离时,首先将两条光谱归一化到同一尺度下,然后计算对应波长处的残差,以残差谱分布的标准差作为距离度量。该距离度量方法可用于恒星分类、聚类以及恒星大气物理参数测量等应用中。本文以恒星光谱细分类为例来比较检验该距离度量方法,结果表明该方法定义的距离在分类时能更为有效的刻画不同类别光谱间的差距,可以很好的用于相关应用中。同时还研究了信噪比对该距离度量方法的影响:残差分布距离一定程度上受光谱信噪比影响,信噪比越小,对距离的影响越大;在信噪比大于10之后,残差分布距离对分类的影响很小。

一种基于Ca线线指数回归的恒星大气金属丰度估计方法

提出一种基于BP神经网络及Ca线线指数估计恒星大气金属丰度的方法。该方法以从斯隆数字巡天SDSS中恒星光谱以及SSPP给出的参数作为训练样本,其中每条恒星光谱计算16个Ca线线指数,结合其他方法得到的表面有效温度Teff作为输入,以SSPP得到的金属丰度[Fe/H]作为输出,对训练样本进行重采样后通过训练得到一个人工神经网络,通过该网络可以用来预测恒星光谱的[Fe/H]。通过相关实验表明,提出的方法能够准确而且有效的测量出恒星光谱的[Fe/H]。

基于质量估计的恒星大气参数的自动测量

近些年海量恒星光谱数据的获取使得恒星三个基本参数(表面有效温度Teff,表面重力log g,金属丰度[Fe/H])的自动测量方法研究成为一个重要的研究课题,相应对恒星大气物理参数测量的研究将对科学家研究宇宙演化等重大科学问题具有重要的意义。但是目前国内外针对此问题所做的研究并不是很广泛深入,且已有的一些方法还不能够完全准确地估计出恒星的大气物理参数。因此本文研究了一种基于质量估计的恒星大气物理参数自动测量方法,该方法计算量比较小,其主要思想是首先建立一些质量分布,将原始光谱数据经过质量估计算法映射到新的质量空间,然后在质量空间利用支持向量机回归对恒星的三个基本物理参数进行估计。在实验中,从SDSS-DR8光谱数据库中选择部分实测光谱数据来进行训练和测试,并将该方法预测出的参数结果与SSPP给出的参数值进行了对比,取得了比较理想的结果。实验结果表明,该研究方法的准确率更高,预测结果更稳定,训练所用的时间短,在恒星大气物理参数自动测量上是行得通的,可以有效地测量恒星的大气物理参数。

基于Haar小波特征的恒星光谱物理参量自动估计

恒星大气物理参数的自动测量是大型巡天计划中海量光谱数据自动处理中的一个重要内容。首先使用多尺度Harr小波对恒星光谱数据进行特征分解,然后选用相应的小波系数作为光谱的特征向量,最后采用非参数回归算法对光谱的物理参数进行估计。研究表明,只需对光谱进行四层小波分解,并选择第四层小波系数作为光谱的特征向量,即可获得重力加速度和表面有效温度的较好估计。对于化学丰度的估计,选择第一层小波系数作为光谱特征向量可取得较好效果。选用文献相关研究中常用的恒星大气模拟模型合成光谱库ELODIE中光谱数据测试了该方法的有效性。结果表明,基于Harr小波分解的光谱特征提取方法对恒星表面温度、表面重力和化学丰度等物理参数的估计具有较高的精度和鲁棒性。

基于模糊大间隔最小球分类模型的恒星光谱离群数据挖掘方法

由于人类对宇宙的认识有限,因此,如何通过对光谱数据分析发现一些新的、特殊的天体成为天文学家面临的重要课题。目前,常见特殊天体发现方法的基本思想是利用智能分类算法对离群数据进行分析。然而,当前主流分类算法大多对离群数据不敏感,分类性能甚至受离群点影响较大,因而无法完成特殊天体发现任务。鉴于此,提出基于模糊大间隔最小球分类模型的离群数据挖掘方法,该方法利用部分一般样本和离群样本建立最小球模型,并在此基础上引入模糊技术,通过降低噪声的权重,尽量减少噪声的影响。与C-SVM,SVDD,KNN等传统分类方法在SDSS恒星光谱数据集上的比较实验表明所提方法的有效性。

基于最近邻方法的类星体与正常星系光谱分类

随着高质量CCD传感器技术的日渐成熟与广泛应用,以及许多大型巡天计划的相继实施,天体数据量极大,因此天体观测数据的自动识别、分析问题首当其冲。文章在原始测量空间使用最近邻方法(NN)研究了正常星系与类星体光谱的识别问题。正常星系和类星体属于河外天体,一般距离地球较远,其观测光谱会受到许多干扰,所以这两类天体光谱的分类在光谱自动识别研究中具有一定的代表性。同时,采用的NN是模式识别和数据挖掘方面的基准性方法,在许多新方法的评估中,往往以NN方法的性能作为比较对象。从实用价值来说,研究表明,NN方法的类星体和正常星系光谱识别率与文献中复杂方法的最好结果相当,但该文方法不需要进行分类器的训练,利于实时进行增量式学习和并行实现,这对海量光谱数据的快速处理有重要意义。因此,该研究具有重要的理论参考意义和一定的实用价值。