基于三维区域标记对太阳活动区低色球层亮点的统计分析

研究太阳活动能量的统计分布,以探索日冕物质加热的物理机制.利用一种基于三维区域标记的算法,使用"日出"卫星拍摄的低色球层λ3968.5单色像时间序列,观测一个处于衰减阶段且爆发频繁的活动区,对多个数量级尺度的亮点进行识别和统计.获得了2.09×104个亮点样本,分析了太阳耀斑基本物理量的频数分布与幂律的关系,以及影响该分布的观测效应.数据分析的主要结果如下:1)低色球层亮点的尺度、面积、光通量服从幂律分布.2)寿命的频数在中等时标呈幂律分布,在长时标呈指数分布;大尺度亮点的等待时间符合指数分布.3)亮点发生率的信噪比随其尺度的增加而减小;小尺度亮点持续的产生有可能向日冕稳定地提供能量.4)微小尺度亮点的频数低于幂律分布,相当程度上受观测数据的低时间分辨率所造成的低采样率影响.

交通事故发生受太阳活动影响吗?

根据1951-2009年59年间的中国交通事故起数和10 cm太阳射电流量的有关资料,用经验模式分解方法、交叉小波方法、相关分析方法等数学手段对二者之间的关系进行了分析研究。结果表明:中国交通事故的发生与太阳活动的11年周期活动存在具有统计意义的正相关关系,交通事故的发生受太阳活动的影响。最后对这种影响进行了解释。

超高分辨率太阳射电事件及其相关太阳活动的研究

从2004年10月起,国家天文台怀柔射电频谱仪增加了新的超高分辨率观测模式:在1.10～1.34 GHz频带其时间分辨率为1.25 ms,频率分辨率为4 MHz。报告了3个超高分辨率下观测到的太阳射电精细结构事件,包括射电尖峰辐射、鱼群结构和重叠的精细结构,在射电精细结构之后8～14 min,在米波段都发现射电II型爆发,3个事件的米波II型爆发(示踪着日冕激波)都有相关联的日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,CME)。

太阳活动区低色球层亮点幂律分布时变规律的观测分析

太阳耀斑和微耀斑能量的幂律分布是太阳活动的一个典型特点。调查其统计特征和时变规律,对研究太阳能量的传输和耗散以及高层大气的加热机制有重要意义。研究太阳低层大气中能量释放的统计规律及其演化过程,使用二维区域标记算法,在日出(Hinode)卫星上的太阳光学望远镜(Solar Optical Telescope,SOT)对NOAA 10930活动区观测的低色球层Ca Ⅱ Hλ3 968.5单色像资料上,分析表征亮点能量分布的频数特征及其变化规律。在时间跨度为124 h、视场为202″.4×85″.3的时间序列中,共获得2.99×105个亮点,平均每帧图上每平方角分有24.15±6.34个亮点。主要分析结果如下:(1)亮点尺度(L=(L_xL_y)^(1/2))的瞬时分布基本符合幂律分布并满足自相似性;(2)亮点的产生率及其信噪比随着尺度的增加而减小。海量微小尺度亮点持续的发生可能是加热高层大气的一种稳定而可观的能量来源,例如,尺度小于4″的亮点产生的光通量在样本总光通量中占的比例达到53.23%;(3)小尺度亮点的瞬时数密度随着活动区的衰减而降低;(4)亮点集的尺度服从幂律分布,其离散系数σ(ζ)仅为4%。该实测样本尺度的幂指数γ为1.97,低噪声样本(L≤8″)的γ为2.12;(5)但是,在观测时段内,γ并没有收敛。样本集的γ是一个在观测积累中呈锯齿状变化的过程:在平静时段缓慢升高,在活动瞬间突然降低。(6)亮点瞬时子集的γ与其总光通量呈反比。在样本中剔除大尺度(L>8″)个体后,中小尺度亮点仍服从上述规律。太阳活动不仅产生中、大尺度的增亮区域,还对各尺度区间亮点的频数分布产生全局性的影响,引起瞬时γ的降低。

交通事故死亡人数与太阳活动的统计关系分析

分析1951—2009年间的中国交通事故死亡人数和太阳黑子数的有关资料,用交叉小波、整体平均经验模式分解、相关分析等数学方法来探讨太阳长期活动统计上对交通事故死亡人数的影响。结果表明:中国交通事故死亡人数与太阳活动的11年周期活动存在具有统计意义的正相关关系,严重交通事故的发生的确受太阳活动的影响。

太阳活动的缓变与瞬变特征

引言太阳是唯一一颗能让我们仔细观察到其表面细节的恒星,它还是一颗球对称和稳定的恒星。因此,从认识恒星的角度来看,对于太阳的研究对整个天体物理学来讲是必要的,而且是重要的。

基于深度学习的太阳活动区检测与跟踪方法研究

太阳活动区是各类太阳活动的主要能量来源,剧烈的太阳活动直接影响人类的生存环境,因此,准确地检测与跟踪太阳活动区对监控和预报空间天气非常重要.基于深度学习框架的YOLOv3-spp和DeepSort,提出了一种太阳活动区检测和跟踪方法(Active Regions Detection and Tracking Method,ARDTM),该方法较好地解决了传统图像处理方法易将一个太阳活动区误检测为多个,或者多个太阳活动区误检测为一个的问题;及时捕获新产生的太阳活动区和终止跟踪消失的太阳活动区,有效提高了太阳活动区的跟踪准确率.实验结果表明,该方法可以较好地检测和跟踪不同望远镜、不同时间间隔序列图像中的太阳活动区.

中国科学院国家天文台太阳物理研究20年

中国科学院国家天文台自2001年成立以来,汇集了与太阳物理有关的创新研究队伍和观测基地,是我国规模最大的太阳物理研究群体,拥有理论研究、观测分析和设备研制等综合优势.20年来,国家天文台成功运行着多通道太阳磁场望远镜和太阳射电宽带动态频谱仪等世界一流的观测设备,研制了全日面太阳光学和磁场监测系统及明安图射电频谱日像仪(Mingantu Spectral Radioheliograph,MUSER)等新一代观测设备,正在研制中红外太阳磁场精确测量观测系统(accurate solar infrared magnetic measuring system,AIMS)、我国首个空间太阳望远镜ASO-S(Advanced Space-based Solar Observatory)的有效载荷全日面磁场望远镜(full-disk magnetograph,FMG)、米波-十米波射电频谱日像仪和行星际闪烁射电望远镜等新设备.本文着重回顾近20年国家天文台研究人员取得的一系列开拓性研究成果或亮点研究进展,进一步展望未来我国太阳物理界将主要在太阳磁场、太阳射电和深空太阳探测方面进行的重点突破,推动在太阳和日地物理中解决科学难题,包括太阳磁场与太阳周的起源、日冕加热、太阳爆发起源及其对日地空间环境的作用和影响等.

宽波段傅里叶变换太阳光谱仪等光程差采样系统设计

太阳成像光谱探测是诊断太阳大气磁场和热力学参数的主要手段.傅里叶变换太阳光谱仪(Fourier Transform Solar Spectrometer, FTSS)具有宽波段的优势,是当前中红外高分辨率太阳光谱探测的最佳选择.FTSS通过采集目标辐射等光程差干涉图,反演获得光谱图,等光程差采样的间隔决定了反演光谱波长范围.因此从FTSS宽波段光谱观测对不同等光程差采样间隔需求出发,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)技术,采用全数字分频、倍频方案,设计了一套宽波段FTSS等光程差采样系统.采用分布式余数补偿方法,有效解决了在参考激光干涉信号倍频过程中,输出采样信号在输出信号周期间误差累积问题,并降低了输出采样信号的误差及非均匀性;经功能仿真及实验测试,系统在200 Hz–50 kHz频率范围内,频率误差δ <0.04%,可有效满足FTSS的300 nm–25μm宽波段的光谱观测数据采集需求,为后续可见和红外波段FTSS的研制奠定了技术基础.

太阳与地磁活动的1.3–1.7 yr振荡关系分析

太阳和地磁活动中的1.3–1.7 yr周期研究对于理解日地空间耦合系统中可能发生的物理过程十分重要.黑子是太阳光球层上最突出的磁场结构, Ap指数则是表征全球地磁活动水平的重要指标.使用同步压缩小波变换得到太阳黑子数和地磁Ap指数的1.3–1.7yr周期,并用互相关方法分析研究它们之间的相位关系.结果如下:(1)太阳黑子数和地磁Ap指数的1.3–1.7 yr周期呈现间歇性的演化特征,且随着时间的变化而不断变化;(2)地磁Ap指数在奇数活动周比相邻的偶数活动周的周期分量更高,表现出上下波动的变化特性;(3)地磁Ap指数和太阳黑子数的相位关系不是一成不变的,在大多数情况下地磁Ap指数滞后太阳黑子数,仅在第18和第22活动周黑子数在相位上滞后.

基于FPGA的空间太阳磁像仪自校正稳像系统研制

太阳磁像仪是开展太阳磁场观测研究的核心仪器,其中的稳像系统是空间太阳磁像仪的关键技术之一,针对深空探测卫星系统对载荷重量、尺寸限制严苛的要求,设计了基于图像自校正方法的稳像观测系统.介绍了一套基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)和数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),通过基于自相关算法的高精度稳像方法设计,并结合精确偏振调制、准确交替采样控制等系统软硬件设计,克服由于卫星平台抖动、指向误差等因素造成的图像模糊,实现实时相关、校正、深积分的稳像观测系统.针对像素尺寸为1 K×1 K、帧频为20 fps的CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)探测器,实现了1像元以内的实时稳像观测精度.在完成实验室测试后, 2021年6月18日在国家天文台怀柔太阳观测基地35 cm太阳磁场望远镜上开展了实测验证,结果表明该系统能够有效地完成太阳磁像仪自校正稳像观测,获得了更高分辨率的太阳磁场数据.稳像系统的成功研制不仅可以为深空太阳磁像仪的研制提供轻量化、高可靠的精密稳像观测技术方案,也可以为地面太阳磁像仪提供不依赖于操作系统的便捷观测系统.

空间液晶双折射滤光器精密温度控制技术研究

液晶型双折射滤光器采用低压驱动器件、移除旋转电机等技术使滤光器的光、机、电结构大大简化,成为深空太阳磁场观测任务中的首选技术方案.滤光器中光学元件的折射率对温度变化非常敏感,为了确保滤光器的透过带在0.1Å范围内稳定,满足太阳磁场、速度场测量的高灵敏度要求,需要保证滤光器光学腔体内的温度稳定在±0.005℃以内.由于可供选择的宇航级模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)分辨率较低,直接使用无法满足高精度测量的要求,将测温区间分段并设计使用多级放大、低通滤波电路和宇航级ADC的方案,实现了-20-100℃的大范围温度信号采集和38-46℃目标温度段内0.0002℃的高分辨率温度采集;再以热电制冷器(ThermoElectric Cooler,TEC)作为热控元件,使用增量式PI(Proportional Integral)控制算法,实现了精密温度控制,在真空试验中,系统温控精度优于±0.005℃.上述研究工作不但能够为地面液晶双折射滤光器提供精密温度控制系统,而且也为深空太阳磁场、速度场测量提供了一种可行的技术方案.

太阳米波和分米波Ⅱ型、Ⅲ型射电暴及其精细结构观测研究进展

太阳米波和分米波的射电观测是对太阳爆发过程中耀斑和日冕物质抛射现象研究的重要观测手段。米波和分米波的太阳射电暴以相干等离子体辐射为主导,表现出在时域和频域的多样性和复杂性。其中Ⅱ型射电暴是激波在日冕中运动引起电磁波辐射的结果。在Ⅱ型射电暴方面,首先对米波Ⅱ型射电暴的激波起源问题和米波Ⅱ型射电暴与行星际Ⅱ型射电暴的关系问题进行了讨论;其次,结合Lin-Forbes太阳爆发理论模型对Ⅱ型射电暴的开始时间和起始频率进行讨论:最后,对Ⅱ型射电暴信号中包含的两种射电精细结构,Herringbone结构(即鱼骨结构)和与激波相关的Ⅲ型射电暴也分别进行了讨论。Ⅲ型射电暴是高能电子束在日冕中运动产生电磁波辐射的结果。在Ⅲ型射电暴方面,首先介绍了利用Ⅲ型射电暴对日冕磁场位形和等离子体密度进行研究的具体方法;其次,对利用Ⅲ型射电暴测量日冕温度的最新理论进行介绍;最后,对Ⅲ型射电暴和Ⅱ型射电暴的时间关系、Ⅲ型射电暴和粒子加速以及Ⅲ型射电暴信号中包含的射电精细结构(例如斑马纹、纤维爆发及尖峰辐射)等问题进行讨论并介绍有关的最新研究进展。

怀柔太阳观测基地全日面磁场自动化观测系统

介绍了怀柔太阳观测基地设计完成的一套能够自动化快速获取全日面矢量磁场数据的观测系统。该系统升级了波带开口波片电机控制模块、KD＊P高压调制电路以及数据采集系统。在观测软件界面上点击一键即可获得全日面矢量磁场的3个分量L、Q、U，完成时间从原来的3～5min减少到30S；同时，该观测系统还设有耀斑观测模式，在该观测模式下可以以最高48帧每秒的速度记录磁场或单色像数据，与怀柔太阳观测基地的高分辨Ha数据相结合可以形成日球上两个层次的高分辨观测资料。

空间太阳望远镜主光学望远镜热效应分析

空间太阳望远镜(SST)直接对日成像,其1 m口径的主反射镜(MOT)接收到的上千瓦热量将严重影响望远镜的成像质量,因此必须进行热控设计以确保SST的性能。首先讨论了SST主镜筒内的热状况,分析了对日观测时主镜筒内的热流分布情况;然后根据SST轨道参数计算望远镜的空间轨道外热流状况;在此基础上提出了相应的热控措施,并使用热分析软件Sinda/G与Nevada计算了SST主镜筒温度分布;最后计算了SST主镜相应的热变形,对主镜镜面热变形采用Zernike多项式拟合,热变形精度小于λ/40(λ=633 nm),确保SST获取0.1″～0.15″的高分辨率成像目标,验证了SST主镜筒热控设计的有效性。

三频段太阳射电望远镜与空间天气

基于地基望远镜对太阳射电辐射流量进行长期监测是空间天气预报的一种重要手段,用来预报太阳活动引发的地球上的各种扰动。明安图和塔什库尔干两台新的三频段(10.7 cm,6.6 cm和3.3 cm)太阳射电望远镜将服务于我国的空间天气监测和预报,介绍了系统的结构和设计特性、双噪声源定标方法。系统稳定性优于1%(10 h),灵敏度优于1 sfu。展示了明安图太阳射电望远镜2017年试观测的初步结果。

太阳爆发抵近探测——“触碰计划”

本文旨在介绍一项具有重大科学意义和应用价值的深空探测任务构想.该任务将对驱动恒星大尺度爆发过程的中心结构(即磁重联电流片)进行抵近(原位)探测,主要目的是详细研究发生在离地球最近的恒星——太阳上的大尺度磁重联过程的精细物理特征,揭示太阳系中最为剧烈的能量释放过程(即太阳爆发或太阳风暴)的奥秘.该任务的科学目标:磁重联过程是发生在宇宙磁化等离子体中的能量转换和释放的核心过程,其一直是太阳物理、等离子体物理、空间科学研究领域内的一个极为重要的研究课题及研究方向.通过抵近观测可以将同样设备的分辨能力提高5~20倍,将提供在地球附近无法获得的太阳超清晰图像以及相应的物理信息,让人类在一个前所未有的平台上来研究、认识和了解太阳,从而解决太阳爆发核心驱动过程的精细物理性质与日冕加热等长期困扰太阳物理研究领域的难题.

世界各国太阳射电望远镜概况

详细汇总了国内太阳射电望远镜的技术性能及原理框图。收集了部分国外太阳射电望远镜技术指标。对射电望远镜系统参数灵敏度、信噪比、交叉计划隔离度的计算方法作了介绍。

面阵傅里叶变换太阳光谱仪高速采集系统设计与实现

同时或准同时多谱线太阳成像观测可以获得太阳大气三维磁场和热力学参数,是未来太阳观测焦面终端设备的重点发展方向。傅里叶光谱仪具有宽波段、高灵敏度、高光谱分辨率的优势,但因受限于高帧频、大面阵探测器制约,尚未用于太阳光谱成像常规观测。随着CMOS图像传感器技术迅猛发展,在可见光和近红外波段,探测器面阵大小和帧频相比传统CCD探测器有了质的提升,使得面阵傅里叶太阳光谱仪研制成为可能。通过引入高帧频面阵CMOS图像传感器,针对面阵傅里叶变换太阳光谱仪科学需求,设计了一套高速数据采集软硬件系统,实现了面阵傅里叶太阳光谱仪10 kHz高速触发,万帧/秒快速采集,0.5 GB·s^(-1)大数据量连续、实时存储等功能。在此基础上,依托国家天文台怀柔太阳观测基地现有的IFS-125HR傅里叶变换光谱仪,搭建可见光实验系统,以可见光色球谱线(Hα656.3 nm)及其附近光球谱线为目标波长,开展面源太阳光谱探测。分别以实验室钨灯和太阳为光源,进行等光程差间隔采样,成功获得了面阵干涉图,首次反演得到面源窄带连续谱以及656.3 nm附近太阳色球和光球线。采用交叉定标方式,将得到的太阳光谱与美国国立太阳天文台NSO傅里叶变换光谱仪获得的标准光谱在同等分辨率下进行比较,结果基本一致,验证了新研制的面阵傅里叶太阳光谱仪高速数据采集系统性能及面阵傅里叶变换太阳光谱仪在太阳观测中的可行性。该研究为后续可见光宽波段面阵傅里叶太阳光谱仪的研制奠定了技术基础,同时为“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”(AIMS)后续从线源扩展到面源观测积累了宝贵经验。

日像仪观测太阳射电信号左右旋圆偏振的方法

使用Microwave Office软件,仿真分析MUSER-I（0.4-2 GHz）和MUSER-II（2-15 GHz）3 d B定向耦合器.电桥采用多节耦合器实现,且每节耦合器的长度为中心频率波长的1/4,对电桥进行分析并制作实物.实测结果表明,MUSER-I的3 d B定向耦合器的输出幅度在（-3±0.2）d B,输出端口相位差在91.9°-89°之间;MUSER-II的3 d B定向耦合器的电压驻波比在全频带范围内小于1.31,输出端口相位差在96.05°-85°之间.通过日像仪系统接收太阳左旋和右旋圆偏振射电信号,并计算信号的圆偏振度,得到观测圆偏振度与太阳信号本身圆偏振度之间的误差和太阳信号本身偏振度的关系.当太阳信号本身极化度为10%时,误差最大为9.4%.