南极长城站哨声波监测仪设备及其初步观测

在子午工程二期项目的支持下,武汉大学(Wuhan University,WHU)联合中国极地研究中心研制了一套甚低频(very low frequency,VLF)波动探测系统,并在2022年由中国极地研究中心部署于南极洲的中国长城站(Great Wall Station,GWS,62.22°S,58.96°W).该探测系统的动态范围为~110 dB,时间精度为~100 ns,可为空间物理和空间天气研究提供高分辨率的波动观测数据.本文详细介绍了WHU VLF(子午工程编码:OCHCH_WHWM01)波动探测系统在GWS的初步观测结果,充分验证了系统的优越性能和稳定性.在过去一年的常规运行中,此系统能精确探测北美和欧洲等区域内各种地基VLF台站信号的动态变化.初步分析结果表明,在多次X级太阳耀斑爆发期间,GWS观测到的人工VLF台站信号特性与以往的研究结果高度一致.由于HWU-GWS(HWU为发射台站的名称)路径穿过南大西洋异常(south Atlantic anomaly,SAA)区域,观测结果同时表明,在磁暴期间,HWU VLF信号的扰动与磁层电子沉降在时空关系上具有很强的关联性.此外,此设备也能观测到闪电激发的宽频带哨声波,在频谱图上呈现特有的清晰色散结构.因此,在南极独特的地理位置,地基哨声波监测仪的观测结合其它仪器的观测,有利于深入开展与极区哨声波传播、低电离层扰动、地面闪电放电和辐射带粒子沉降等相关的空间天气学研究,对开展全天时空间环境监测具有重要意义.

地球磁尾磁通量绳中哨声波的统计研究

哨声波被认为与地球磁尾磁通量绳的动力学有着密切的联系.之前的关于磁通量绳中哨声波的研究都是基于少数几个事件开展分析,并没有给出不同运动方向磁通量绳中的不同频带哨声波的空间分布特征,以及磁场功率谱密度和激发机制等.本文基于磁层多尺度卫星在2017年5月至8月穿越磁尾期间的观测数据,对地球磁尾磁通量绳中的哨声波进行了统计研究.根据磁场变化特征,磁通量绳被分成三个部分:前边界区、核心区和后边界区.根据与当地电子回旋频率(f_(ce))的相对大小,哨声波被分为下带(0.1f_(ce)~0.5f_(ce))和上带(0.5f_(ce)~f_(ce))哨声波.本文分别研究了地球磁尾地向运动和尾向运动磁通量绳中的下带和上带哨声波的空间分布特征,以及磁场功率谱密度和激发机制等.本文研究发现:(1)地球磁尾磁通量绳中观测到的哨声波主要是下带哨声波;(2)下带和上带哨声波都更易在地向运动和尾向运动磁通量绳的后边界区被观测到,并且在该区域它们的磁场功率谱强度也高于其他区域;(3)地向运动磁通量绳核心区的中心区域的下带和上带哨声波和尾向运动磁通量绳核心区的中心区域的下带哨声波可能是由垂直电子温度各向异性激发的;(4)在排除掉具有垂直电子温度各向异性的哨声波后,地向运动和尾向运动磁通量绳后边界区的上带哨声波可能是由电子束激发.本文的研究结果有助于理解哨声波对地球磁尾磁通量绳演化的影响和哨声波在磁尾动力学中所起的作用.

改进YOLOv5的闪电哨声波轻量化自动检测模型

提出一种改进YOLOv5(You-Only-Look-Once version 5)检测模型YOLOv5-Upgraded.为了更快定位真实边框,该模型将损失函数CIoU (Complete IoU)替换为SIoU(Scylla IoU);同时为了避免网络训练过程中梯度消失、梯度爆炸以及神经元坏死等现象,将激活函数SiLU(Sigmoid-weighted Linear Unit)替换为具有更好梯度流的Mish;在主干网络中插入注意力(Coordinate Attention, CA)机制,帮助模型更精准地识别闪电哨声波,大大降低了漏检率.基于张衡一号感应磁力仪(Search Coil Magnetometer, SCM)数据,以2.4 s时间窗口截取数据,经带通滤波、短时傅里叶变换得到1126张时频图数据集,再经图像增强操作扩充至7882张,其中7091张作为训练集, 791张作为测试集.实验结果表明,基于改进YOLOv5的模型平均精度均值为99.09%,召回率为96.20%,与YOLOv5s相比,分别提升了2.75%和5.07%,与基于时频图的YOLOv3模型相比,平均精度均值和召回率则分别提高了5.89%和9.62%.基于智能语音的LSTM (Long Short Term Memory Networks)闪电哨声波识别模型大小为82.89 MB, YOLOv5-Upgraded仅为13.78 MB,约节省83.38%的内存资源.研究表明改进后的轻量化模型大大降低了闪电哨声波的漏检现象,在测试集中取得了较好结果,并且其轻量化特征易于部署到卫星设备,极大地提高了星载识别的可能性.

基于电磁卫星的闪电哨声波智能检测算法的研究进展

闪电哨声波作为探索空间物理环境的重要媒介,淹没在海量的电磁卫星数据中.近年来随着计算机视觉和深度学习等人工智能技术的发展,从电磁卫星的存档数据中自动检测闪电哨声波的算法取得了一定的效果.本文对近年来闪电哨声波智能检测算法的文献进行了整理和总结.首先,阐述闪电哨声波在电磁卫星数据中呈现的时频特征和类型;然后,介绍了闪电哨声波智能检测算法的流程并从闪电哨声波的特征提取、分类和定位三个方面对主要的智能检测算法进行归纳、总结和评述;其次,简述了闪电哨声波智能检测模型的评价指标;接着,在张衡一号(ZH-1)卫星的磁场数据上对三种典型的闪电哨声波智能检测算法进行复现,并对三种算法的优缺点进行了较深入的分析;最后,对基于电磁卫星的闪电哨声波智能检测的研究领域进行总结和展望.

无碰撞电流片哨声波不稳定性

通过数值求解文献[4]中物理模型A得到的一般形式的色散关系,讨论了无碰撞电流片低频波不稳定性问题.结果表明,哨声波能被无碰撞电流片直接激发.在中性片上(z/di=0),在较宽的波数范围内,斜哨声波是可以传播的,但它基本上是稳定的.在离子惯性区内(z/di<1,电子惯性区外),斜传播的哨声波是不稳定的.在离子惯性区边缘(z/di=1),斜传播的哨声波仍然是不稳定的,增长率更大,不稳定的波频率范围更高.此外,朝向中性片方向传播(kzdi<0)的哨声波比离开中性片方向传播(kzdi>0)的哨声波有更大的增长率.

近地磁尾重联中哨声波和Hall磁场的Cluster观测

在2001～2003年Cluster飞船通过近地磁尾期间，共探测到14次重联事件，在这些事件中同时还观测到等离子体波活动．本文把14次事件分为三大类，其中：第1类包含了8次事件，它们是在等离子体片内先于重联事件观测到波活动，并且还同时观测到Hall磁场．经过分析判断，这类事件中观测到的波是右旋偏振的哨声波．第Ⅱ类包含了2次事件，这类事件也观测到了Hall磁场和右旋偏振的哨声波．第Ⅲ类也包含了2次事件，这类事件只是普通的重联事件，没有观测到Hall磁场，但是波活动明显先于重联事件．在我们观测的14次事件中，比较强烈的哨声波和Hall磁场是一一对应的，因此哨声波可能主要是在Hall磁场的四极结构区激发的．

基于智能语音技术的闪电哨声波自动识别

闪电哨声波是一种重要的电磁波动,了解其传播特征及传播过程有助于揭开圈层电磁耦合机理.从卫星观测资料识别闪电哨声波通常需要将原始电磁波形进行滤波处理再转化为时频图像,最后采用目视方法识别图像中的色散状形态,整个过程消耗大量人机时间和内存资源,不能满足张衡一号(ZH-1)卫星观测的海量电磁场数据处理的需求.针对该问题,鉴于闪电哨声波原始波形数据能够通过播放器产生降调的声音,本文打破以视觉分析为主的闪电哨声波研究惯例,首次采用语音智能技术研究其自动识别算法.首先,以张衡一号卫星感应磁力仪(SCM)的VLF波段的波形数据为研究对象,截取时间窗口为0.16 s的波形数据作为音频片段;然后对该片段进行去趋势处理;基于梅尔频率倒谱系数(MFCCs)能够刻画人耳的听觉机理,提取闪电哨声波的MFCCs特征;其次,构建长短期记忆(LSTM)神经网络并输入波形数据的MFCCs特征训练分类模型;最后利用MFCCs特征和训练得到的LSTM分类模型实现闪电哨声波自动识别.通过对10200数据集(5100段包含闪电哨声波,5100段无闪电哨声波)上开展实验发现:该方法的准确率为96.7%,召回率为84.2%,调和平均得分(F1-score)为90.0%,AUC(Area under Curve)评分为90.1%,而且消耗的时间成本是2.28 s,消耗内存资源是82.89 MB;当前最优的基于时频图的闪电哨声波识别算法在本数据集上的准确率为97.3%,内存消耗为233 MB,在CPU上处理0.16 s的片段数据所消耗的时间是6.71 s,内存消耗和时间消耗比较严重.相比而言,基于智能语音的闪电哨声波识别算法准确率略低0.6%,但能够节约66%的时间成本以及65%的内存资源.这表明该算法不仅仅适合从卫星观测的海量数据中快速准确识别出闪电哨声波,且更适合应用于星载识别.

基于AKEBONO哨声波参数的内辐射带高能电子扩散模拟

为能准确地模拟内辐射带中哨声波对高能电子扩散损失的影响,基于内辐射带AKEBONO哨声波参数统计模型,及随纬度分布的背景冷等离子体密度模型,对引起电子扩散损失的大气分子,空间等离子体嘶声、闪电激发的哨声、人工激发的甚低频三类哨声波,利用准线性扩散理论,计算1.4≤L≤2.0区域的不同能量电子,受到库仑碰撞和波粒回旋共振相互作用的弹跳周期平均赤道投掷角扩散系数,分析不同作用机制、不同类哨声波、不同能量、不同磁壳参数等对辐射带高能电子扩散损失的影响.结果表明:在赤道面损失锥角附近,高能电子主要受到库仑碰撞作用而扩散;在赤道投掷角接近90°附近区域,等离子体嘶声和闪电激发的哨声是引起扩散的主要因素;内辐射带电子主要受到甚低频电磁波波粒回旋共振扩散影响;扩散系数对高能电子能量及其所处磁壳参数比较敏感,通常,高能电子的能量或所处磁壳参数越大,扩散系数越大.

张衡一号感应磁力仪数据闪电哨声波自动识别

张衡一号卫星感应式磁力仪(Search Coil Magnetometer,SCM)探测到了大量的低频电磁波动数据.本文探索从中自动识别闪电哨声波(Lightning Whistler,LW)的算法,相关结果对进一步研究空间天气闪电事件的时空变化规律具有重要研究意义.首先,以20 s的时间窗提取SCM原始波形数据,再对其做短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)得到时频图;接着,以LW在时频图中呈现明显的L形态特征为依据创建LW时频图像数据集,该数据集包括316个LW时频图,8000个非闪电哨声波的时频图;再对时频图像进行灰度化处理和尺度缩放处理以降低计算维度,同时增强闪电哨声波特征;通过设计模糊卷积核,对图像进行卷积计算以滤除大量阶跃边缘信息的影响;基于LW的形态特征设计L形态卷积核,对图像进行卷积处理以进一步增强图像中的L形态特征.最后,将增强后的L特征图输入支持向量机(Support Vector Machines,SVM)进行分类识别.大量数据处理实验结果表明:本文提出的闪电哨声波自动识别方案有效,其识别效果在精度、召回率、F1值(F1 score)和接受者操作特性曲线面积(Area Under Curve,AUC)指标上均达到94%以上.

伴随磁场重联哨声波的观测与统计分析

利用GEOTAIL卫星探测得到的磁场、粒子和波的数据，通过观测伴随着磁场重联的哨声波、静电孤立波、高频静电调制波等波，统计分析了地球磁尾伴随重联过程的哨声波的频率、空间位置分布等特性．结果表明：伴随磁场重联的哨声波，其频率在10～500Hz之间，在磁尾主要分布于等离子体片及其边界层．通过卫星观测结果证实：在导向磁场By较小时（By〈7nT），哨声波在磁场重联过程中起到重要的调制作用，从观测上证实了理论预测和计算机模拟结果．

空间等离子体中哨声波合声模非稳定性

系统分析了Kappa空间等离子体中哨声波合声模的非稳定性.研究发现,高能电子的数密度和温度各向异性越高,哨声波的增长率以及正增长率所对应的频率范围也越大;当电子温度过低或过高时,高能电子与哨声波的相互作用较弱,导致增长率较低;磁纬度越高,传播角越大,增长率越小.利用射线追踪的结果分析了哨声波合声模在传播过程中的增益和衰减过程,计算结果表明,在同等条件下,低频段哨声波合声模的增益远大于高频段哨声波合声模的增益.

温度各向异性的电子激发的哨声波

采用一维粒子模拟程序研究了由温度各向异性的电子激发的哨声波。结果表明,当电子等离子体频率和电子回旋频率的比值足够大的时候,和比值较小的情况相比:电子的垂直温度和平行温度的比值将会下降的很快;哨声波的强度迅速增强;哨声波的主频率及其对应的波数将会变小,静电波的影响急剧削弱。

损失锥各向异性分布对哨声波不稳定性的影响

讨论了损失锥各向异性分布导致的磁捕获共振对哨声波不稳定性的影响。计算结果表明，在某些参数范围内，损失锥各向异性分布有可能助长捕获共振导致的哨声波不稳定性。

磁场重联中的哨声波与Hall效应

数值研究Hall电流效应对于重联动力学特征及波动特性的影响.结果表明,具有强Hall效应的算例,重联出流区张角大,重联率高.对于不同Hall效应的算例,应用快速傅里叶变换(FFT),将平面外磁场By分量和(x,z)平面内的速度分量vx,vz位于给定点的时间序列转换为功率谱,并对电场E采用最小方差分析法,确定波的传播方向与偏振特性.研究发现,在强Hall效应的算例中,磁分界线附近存在具有典型特征的哨声波, Hall效应减弱,则波动信号减弱.上述结果表明, Hall电流效应对重联动力学特征具有重要影响,是产生哨声波和快速重联率的关键因素;此外,对于强Hall效应的算例,磁分界线附近哨声波幅度与平面内场向电流Jp间存在正相关关系,它从另一个侧面展示了哨声波与Hall效应间的重要联系.

基于JUNO卫星WAVES仪器波动数据的木星磁层哨声波分析研究

等离子体波的空间分布在木星磁层高能电子动力学过程中起着重要的作用.现有大多数对木星磁层哨声波的观测仅限于|λ|≤15°的磁纬范围内,但是最新的JUNO卫星WAVES仪器提供的波动数据使得更高纬度、更广区域范围内的等离子体波动分布研究成为可能.本文通过对JUNO卫星WAVES仪器数据进行分析处理,详细研究了木星磁层哨声波的空间分布特性.观测表明,存在位于高LJ、高磁纬的木星磁层哨声波,它们广泛分布于距木星中心距离35～75个木星半径、磁纬为|λ|≤30°的空间区域.分析研究发现,WAVES仪器观测的木星磁层哨声波幅度一般为几个pT,远小于地球磁层哨声波的强度.木星磁层哨声波幅会随着LJ的增大缓慢增加,也会随着磁纬的减小趋向平缓变化.基于以上观测事实,本文利用指数幂函数分别拟合得到木星磁层哨声波幅随LJ和磁纬变化的经验模型.该模型将有助于精确理解哨声波对木星磁层高能电子动力学过程的重要影响.

磁镜中哨声波加热等离子体研究

本文研究了在产生晃荡电子的特定磁镜磁场位形中。使用哨声波加热等离子体的机制,并对等离子体的参数和等离子体共振区结构进行了测量研究,研究结果表明:(1) 在磁镜基频共振层附近存在等离子体密度峰和电子温度峰;(2) 该峰随着磁镜中心磁场的变化与基频共振层一起移动;(3) 等离子体加热的物理机制为:大量的电子在基频共振层吸收微波,并在此处反弹。

损失锥电子速度分布激发的哨声波

利用一维粒子模拟方法研究了损失锥电子速度分布激发的哨声波非线性演化过程,并与双麦克斯韦电子分布激发哨声波的情况进行了比较。结果表明,这两种情况下,在线性增长阶段哨声波的主导频率(能量最集中的一个频率)是一样的,波动的激发使得平行于背景磁场方向的电子温度有所提高。比较而言,在损失锥分布情况下,哨声波具有主导频率的波模可较早地被激发,而在线性增长阶段,哨声波的能量更倾向于集中在高频(短波长)波段。部分粒子被散射到损失锥中,而使损失锥分布得以补充。本文还研究了不同各向异性分布和磁场强度条件下的激发过程。

在弱相对论条件下哨声波的调制不稳定性

本文在研究哨声波调制不稳定性时,除考虑由有质动力引起的密度变化和流速改变两个非线性效应外,还计及由弱相对论效应引起电子质量变化的非线性效应,得到了在形成孤子的条件、产生不稳定性的条件、和不稳定性增长率等方面与非相对论情况不同的结果。

弱纵向外电场对磁化等离子体中哨声波的影响

本文以等离子体动力论为基础讨论存在纵向外电场时磁化等离子体的哨声波。由于外电场的影响,等离子体偏离平衡态。取电子稳态分布函数为局域的麦克斯韦分布,用沿无扰轨道积分方法求出系统的介电张量,并分别用介电张量的厄米部份和反厄米部份分析哨声的色散关系和增长率。对于波矢在以电场方向为轴顶角为2θ_c锥角范围内的哨声,外电场的作用使波增长;波矢在此锥角范围之外,外电场的作用使其衰减。波的增长率随频率增高而增大,随波矢倾角增大而减小。ω_e>Q_e时,波矢与外电场平行对应的最大增长率与等离子体密度成正比,与磁场强度成反比。文中还给出了以电离层F层作背景参数的数值计算结果。

磁层中哨声波与电子的相互作用

哨声波与磁层中电子的非线性相互作用,导致电子投掷角降低,沉降到低电离层,引起局部电离增强,而诱发Trimpi效应。本文讨论波-粒子相互作用的过程,并利用超粒子法进行了计算机模拟。计算结果指出共振不仅与电子的速度有关,而且与电子初始拉莫尔相位角有关;计算得到了相互作用时共振电子相位聚焦效应、非共振电子相位聚束效应及电子速度-相位空间中的不均匀振荡等一些结果。同时,也给出了波-电子相互作用引起的沉降电子能量通量随时间的变化和沉降电子的能量分布。