基于少样本的太阳射电爆发事件检测研究

太阳射电爆发事件与多种太阳活动紧密相关,对不同类型的射电爆发事件进行研究有助于提高对太阳活动物理机制的理解,加强对空间天气的判读能力。为解决以往传统射电爆发事件检测方法存在的样本数据量小、检测速度慢、定位准确度低、人为因素干扰大等问题,文中提出采用基于深度学习的少样本目标检测方法对太阳射电频谱图中的不同射电爆发事件进行自动识别和定位。首先,由于目前缺乏公开的射电爆发事件检测数据集,基于美国绿岸太阳射电爆发频谱仪所观测到的射电频谱数据,构建了具有3种爆发类型、共745张图像的少样本目标检测数据集;然后,利用基于迁移学习的少样本学习方法解决了射电爆发事件检测数据集样本量少的问题。实验结果表明,所提方法具有可行性和有效性。

10~50MHz地基低频射电天文数字接收机及上位机软件研制

低频段(<50 MHz)射电观测,是研究射电爆发、恒星形成、宇宙初期状态的重要手段,而我国对该频段相关仪器研究较少.本文从关键器件选型、仿真与设计、接口和通讯、功能模块等方面,对组成地基低频射电观测系统的核心部件——数字接收机与上位机软件进行论述.数字接收机由采集卡和工控机构成,采集卡配置包含AD9265芯片和K7系列现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA).数字接收机探测频率覆盖1~62.5 MHz,接收功率范围-78~-6 dBm,拥有先进的频率分辨率(15.3 kHz)和时间分辨率(0.5~32 ms).为满足射电观测显示与存储需求,研发了具有针对性的上位机软件解决方案.软件支持高速串行计算机扩展总线标准(Peripheral Component Interconnect express, PCIe)数据传输协议,支持实时频谱显示、数据存储和交互操作,具有全频带内强度图显示与图像自动保存功能.自主研制的数字接收机与上位机软件已成功应用于新疆奇台观测站低频(10~50 MHz)射电观测设备,该设备自2021年6月投入运行,捕获多次太阳射电暴事件.将观测结果与澳大利亚Learmonth观测设备对比分析,结果表明,新疆奇台站低频射电观测系统探测精度更为精细、探测频率更低,性能指标位于国际前列.系统后期可开展星-地协同观测,推动我国低频段射电研究.

太阳射电频谱爆发识别的元学习方法

太阳射电频谱图像在太阳活动和空间天气的观测、研究和预报中有着重要的作用。太阳射电宽带动态频谱仪是国内观测太阳射电信号的主要设备,但受到窗口时间、观测设备和太阳活动规律的影响,其所采集到的频谱数据存在有效样本量少的问题。针对这一现状,提出了一种基于元学习和迁移学习的少样本学习方法,用于改善太阳射电频谱图像的分类性能。首先模型在元学习基准数据集上进行元知识的学习,然后对射电频谱图像进行小样本识别的模型定义,最后将元知识迁移到频谱图像数据集的分类任务中。通过对多种元学习方法进行实验分析和性能比较,证明了本文方法的先进性和有效性。

太阳射电观测系统多通道变频电路一致性补偿方法与实现

地基太阳射电观测系统观测信号频带较宽,覆盖十米至毫米波段.限于ADC采样率和输入带宽,通常需要通过变频电路将射电信号分段变频后再进行模数转换.由于模拟器件的差异性,多通道变频电路存在幅相不一致的情况,造成通道间幅相误差,影响接收机测量精度,对极化测量影响尤为严重.本文通过测量太阳射电观测系统中变频电路各通道之间的幅频和相频偏差,计算出每个频点的补偿系数,存入太阳射电观测系统数字接收机的FPGA中.观测时,在FPGA中将ADC输入的数据进行FFT处理,每个通道各频点数据乘以相应补偿系数,削弱通道间不一致性,提升数据质量.选取山东大学槎山太阳射电观测站150~500MHz太阳射电观测系统进行实验验证,经补偿后通道间幅度差降低至0.5dBm以下,一些频点差值为0dBm,相位一致性得到显著提升.实际应用表明,本方法为提升宽频带变频电路一致性提供了解决方案,为低频对周天线阵数字波束合成、同频段多天线相干测量的多通道一致性校正提供了有效参考.

毫米波宽带太阳射电观测系统的信号平坦度补偿方法

在太阳射电观测系统中,接收机作为核心部分将天线接收到的太阳射电信号进行放大、滤波、数字化处理等操作后生成射电频谱.但接收机内部各种器件的幅频特性不一致性将导致接收机输出信号失真,这种失真在宽带信号时更加严重,使系统输出信号平坦度变差,进而影响观测系统数据的准确性.通过分析,信号不平坦主要来源于系统固定增益的不平坦度及随机噪声.针对这一问题,本文提出一种应用于毫米波宽带太阳射电观测系统的信号平坦度补偿方法.首先,将观测信号减去背景辐射噪声尝试补偿系统固定增益的不平坦度.随后,针对宽带信号利用分位图分析系统固定增益的不平坦度补偿是否完成,视不同情形进行下一步处理:(1)若分位图不符合正态分布,则需重新选取背景数据进行补偿操作直至分位图符合正态分布或超过尝试次数后丢弃这组数据;(2)若分位图符合正态分布,可认为系统固定增益的不平坦度补偿完成.最后,根据信号的方差和均值拟合得到白噪声函数积分次数与噪声抑制的关系,进而选择合适的积分次数抑制噪声以得到符合平坦度要求的补偿后信号.该模拟结果可对上位机实时数据处理算法提供参考,在高带宽内对信号的平坦度进行补偿,使接收机获取较为准确的观测数据(精细动态频谱).该方法已应用于山东大学槎山太阳射电观测站的35~40 GHz宽频太阳射电观测系统,并得到了较好的补偿效果.