авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 |

Исследование пространственно - спектральной структуры колебательных процессов в атмосфере над солнечными пятнами

-- [ Страница 2 ] --
  1. Всероссийская конференция «Солнечно-земная физика», посвященная 50-летию создания ИСЗФ СО РАН. (Иркутск, 28 июня - 1июля 2010 года);
  2. 7th Annual meeting of the Asia Oceania Geosciences Society (Hyderabad International Convention Centre, 5-9 July 2010, India);
  3. XI Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Иркутск – Старая Ангасолка, 15–21 марта 2010);
  4. Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца "Солнечная и солнечно-земная физика-2011" (2-8 октября 2011 года, Санкт-Петербург, ГАО РАН);
  5. Физические процессы в космосе и околоземной среде, Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике (БШФФ), 19-24 сентября 2011, Иркутск.
  6. Algorithm comparison and effective implementation, Solar Image Processing Workshop (SIPW IV), October 25- November 02, 2008, Baltimore, USA.
  7. Brazilian Decimetric Array (BDA) Workshop, INPE, Sao Jose dos Campos, 2008, Brazil.
  8. Influence of Solar Variability on Geophysical and Heliospheric Phenomena, ILWS meeting, October 4-9, 2009, Ubatuba, Brazil.
  9. 9-я Российско-китайская международная конференция по космической погоде, 23–27 июня 2009 г., Листвянка.
  10. Солнечная и солнечно-земная физика, Всероссийская конференция, 3-10 октября, 2010, г. Санкт-Петербург.
  11. Astronomy and beyond: Astrophysics, cosmology and gravitation, cosmomicrophysics, radio-astronomy and astrobiology, 10-th International Gamow Summer School, 23-28 August, 2010, Odessa, Ukraine
  12. Workshop on MHD waves and seismology of the solar atmosphere, BUKS 2010 Meeting at St Andrews University, 9 - 11 June 2010, St Andrew, Scotland
  13. 13th European Solar Physics Meeting, 12-16 September 2011, Rhodes, Greece
  14. RHESSI Workshop and High Energy Solar Physics Symposium, 17-21 October, 2011, Nanjing, China.

Практической апробацией явилось также успешное выполнение проектов РФФИ: 08-02-91860-КО_а «Взаимосвязь слоев солнечной атмосферы с помощью магнитогидродинамических волн»; 10-02-00153 «Термодинамические модели и динамический режим солнечной атмосферы по наблюдениям в сильных спектральных линиях и в радиодиапазоне»; 08-02-92204-ГФЕН_а «Диагностика процессов энерговыделения и ускорения частиц в солнечных вспышках по микроволновому излучению»; 08-02-13633-офи_ц «Создание единой информационной системы анализа и прогноза солнечной активности по данным российских космических исследований»; 05-07-90147-в «Информационная система, ориентированная на анализ солнечной активности по данным радио и ультрафиолетовых гелиографов ИСЗФ и ФИАН». Представленные в диссертации результаты исследования были поддержаны международным грантом 7-й Европейской рамочной программы международного обмена сотрудников научных учреждений (PIRSES-GA-2011).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертаций.

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы.

Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами. Алгоритмы, описанные в главе 1, разработаны и реализованы лично автором. Центр обработки данных pwf.iszf.irk.ru (глава 1) создан автором лично, соавторы принимали участие в постановке задачи и тестировании. Исследования, описанные в главах 2, 3 и 4, проводились совместно с соавторами, использовалось разработанное автором программное обеспечение, автор участвовал в постановке задачи, анализе экспериментальных данных, их интерпретации и формулировке основных выводов.



Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 113 страниц, из них 102 страниц текста, включая 33 рисунка. Библиография включает 94 наименования на 8 страницах

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость и достоверность полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения и их апробация докладами на ряде конференций и публикациями.

Первая глава диссертации посвящена разработанным алгоритмам и методам анализа последовательностей изображений.

В разделе 1.1 дан обзор существующих алгоритмов обнаружения колебаний и измерения их параметров. Показаны их достоинства и недостатки. Рассмотрены следующие алгоритмы и методы: карты периодов [21], обнаружение волновых пакетов с помощью вейвлет-анализа [17], кросс-когерентность [16], байесовский подход [18].

Алгоритм метода цветовых карт периодов [16] основан на поиске максимума модуля быстрого преобразование Фурье для каждого пикселя изображения. Этот метод обладает высоким быстродействием, но требует участия человека для отсеивания ложных срабатываний и выделения источников колебаний. Алгоритм, предложенный в [17], основан на непрерывном вейвлет-анализе. Он находит значимые волновые пакеты и ранжирует их от одиночных до многократных. Выделение источников колебаний производится в ручном режиме. На практике такой метод оказался медленным и малоэффективным. Алгоритм, представленный в работе [16], основан на анализе когерентности сигнала в соседних точках изображения. Для каждого пикселя вычисляются кросс-спектры между ним и его ближайшим окружением и выявляются области на изображении с большими значениями когерентности. Этот алгоритм имеет большую вычислительную сложность и не является полностью автоматическим. В работе [18] представлен алгоритм, основанный на байесовском спектральном анализе временных серий и фильтрации изображений и позволяет рассчитать критерий достоверности обнаружения колебаний. Метод хорошо себя показал при работе с реальными данными, но имеет большую вычислительную сложность и позволяет детектировать колебания только в ограниченном, заранее заданном диапазоне частот.

В разделе 1.2 описывается разработанный автором алгоритм автоматического обнаружения колебаний по сериям двумерных изображений, основанный на применении методов Фурье и вейвлет анализа. Перед началом разработки были сформулированы следующие требования к алгоритму:

  1. Уверенное обнаружение колебаний при отношении сигнал/шум порядка единицы.
  2. Минимальная вероятность ложных срабатываний.
  3. Быстродействие, достаточное для обработки данных с высоким пространственным и временным разрешением в реальном времени.
  4. Детектирование колебаний, как с заданными, так и с неизвестными периодами.

С целью достижения минимально возможного количества ложных срабатываний алгоритма рассмотрены возможные ситуации, в которых алгоритмы обнаружения колебаний могут работать неправильно: фоновые непериодические вариации сигнала, импульсные помехи (всплески), краевые эффекты.

Предложены эффективные методы предварительной обработки, минимизирующие вероятность ложных срабатываний: совмещение изображений друг относительно друга, нормализация сигнала в каждой точке по среднеквадратичному отклонению от среднего (СКО), вычитание медленных трендов, детектирование всплесков в сигнале, подавление краевых эффектов с помощью умножения на оконную функцию, применение фильтра высоких частот.

Алгоритм состоит из трёх этапов: предварительная обработка; расчёт критерия присутствия колебаний для каждой точки изображения и построение карты колебательной активности; выделение компактных областей, в которых значение критерия присутствия колебаний больше порогового. В качестве критерия обнаружения колебаний используется максимальное значение мощности преобразования Фурье сигнала в случае, когда период колебаний неизвестен, и узкополосное ПВФ-изображение источника колебаний, когда требуется исследовать колебания с заданным периодом.

Проведено тестирование алгоритма на модели, представляющей собой серию изображений, на которых присутствуют следующие объекты: область с синусоидальными колебаниями; область с медленно возрастающей интенсивностью (медленный тренд); область с гауссовым импульсом и добавлением фонового шума с нормальным распределением. Объекты разного типа перекрываются между собой, поэтому в некоторых точках модели присутствуют, как колебания, так и помехи в виде медленного тренда и всплесков. В данной модели с помощью разработанного алгоритма были успешно обнаружены все заданные источники колебаний.

Проведены испытания на изображениях Солнца в линиях крайнего ультрафиолета по данным SDO/AIA (29 июня 2010 г., активная область NOAA 11084) и TRACE (4 мая 2005 г., активная область NOAA 10756). В рассмотренных случаях на диске Солнца существовала единственная униполярная активная область с хорошо развитым солнечным пятном в основании. В обеих сериях наблюдений алгоритм выявил источники колебаний над солнечным пятном, совпадающие с основаниями корональных петель.

Как при обработке модельных данных, так и при анализе реальных наблюдений ложных срабатываний алгоритма не обнаружено.

В разделе 1.3 дано описание метода поточечной вейвлет-фильтрации (ПВФ). Метод предназначен для исследования пространственно-распределённых источников колебаний в солнечной атмосфере и основан на непрерывном вейвлет-преобразовании с материнской функцией Морле. В основе метода лежит непрерывное вейвлет-преобразование серии двумерных изображений Солнца, которое используется для построения двумерных карт источников колебаний в полосе частот. ПВФ метод предоставляет широкие возможности для изучения колебательных и волновых процессов, что позволяет: определить частоты колебаний, присутствующие в сигнале; построить двумерное изображение источника колебаний для заданной полосы частот; выделить из сигнала периодические составляющие (вейвлет-фильтрация); построить мгновенные карты характеристик колебательных процессов (периода, мощности, фазы и фазовой скорости) для заданного момента времени и частоты.

Возможность исследования динамики пространственного распределения характеристик источников колебаний является отличительной особенностью метода ПВФ.

Метод проверен при анализе модельных и реальных данных (SDO/AIA, 211). Показана достоверность определения параметров колебаний, в которых содержатся широкополосные фоновые возмущения и шум.

Проведено тестирование работы метода на модельном сигнале, содержащем три источника колебаний с разными параметрами и шум с нормальным распределением. Выделены положения всех источников колебаний. Найденные значения параметров совпали с заложенными в модель (см. рис. 1).

 естирование метода ПВФ на-5

Рис. 1 Тестирование метода ПВФ на модельных данных: один кадр из модельного ряда изображений (а), глобальный вейвлет-спектр (ГВС) (б), узкополосные изображения источников колебаний с периодами 15 (в), 35 (г) и 80 (д) секунд. Цифрами обозначены процессы, заложенные в модель: бегущая волна с периодом 15 секунд (1), бегущая волна с периодом 35 секунд (3), стоячая волна с периодом 80 секунд (2).

Работа метода с реальными данными продемонстрирована на примере обработки серии изображений активной области NOAA 11092 (3 августа 2010 г.) в крайнем ультрафиолете (211), полученных телескопом AIA на космическом аппарате SDO (см. рис. 2). Выделено изображение источников трёхминутных колебаний в основаниях корональных арок, построены карты фазы колебаний и видимых фазовых скоростей. Полученные данные согласуются с современными теоретическими представлениями о распространении МГД волн в атмосфере солнечных пятен и с результатами, полученными с помощью других методов и инструментов.

В разделе 1.4 дано описание разработанного автором автоматизированного программно-аппаратного комплекса обработки солнечных данных.

 езультаты обработки серии-6

Рис. 2 Результаты обработки серии изображений активной области NOAA 11092 в линии крайнего ультрафиолета (211, SDO/AIA). Вверху слева изображён график глобального вейвлет-спектра, вверху справа — узкополосное ПВФ-изображение источников трёхминутных колебаний, внизу — пространственное распределение фазы колебаний (слева) и скорости распространения бегущих волн (справа).





В подразделе 1.4.1 описывается система удаленного доступа к программно-аппаратному комплексу обработки данных. Система позволяет удалённому пользователю загрузить свои данные на сервер ИСЗФ и обработать их с помощью метода ПВФ. Интерактивный интерфейс реализован в виде веб-приложения и доступен по адресу http://pwf.iszf.irk.ru. В качестве клиентского программного обеспечения может быть использован любой веб-браузер.

В подразделе 1.4.2 рассмотрена система автоматического обнаружения и регистрации колебательных процессов на Солнце. Для автоматического обнаружения, классификации и определения параметров колебательных процессов применяются алгоритмы, описанные в разделах 1.2 и 1.3. Вся информация сохраняется в базе данных для дальнейшего использования. Отладка системы осуществлялась на модельных данных с последующим испытанием на серии реальных изображений Солнца. В настоящее время система внедрена в эксплуатацию и используется для автоматического поиска источников трёхминутных колебаний по ежедневным данным SDO/AIA.

Результаты первой главы диссертации опубликованы в [1* – 4*].

Вторая глава посвящена исследованию структуры распределения мощности трёхминутных колебаний на разных уровнях атмосферы солнечного пятна.

В разделе 2.1 на примере активной области NOAA 10756 исследовано распространение трёхминутных волн в корональных арках, связанных с солнечным пятном.. Использовались наблюдения орбитальной обсерватории TRACE, сделанные 4 мая 2005 года 03:30 – 03:50 UT в линии крайнего ультрафиолета 171 (Fe IX). Источник колебаний был обнаружен с помощью разработанного автором алгоритма автоматического детектирования колебаний. Визуальное исследование серии оригинальных изображений подтвердило существование волн, распространяющихся вдоль корональных петель в сторону от пятна.

Детальное исследование обнаруженных колебаний проведено с помощью метода ПВФ. Изображение источников трёхминутных колебаний в микроволновом и ультрафиолетовом диапазонах показано на рис. 3. Источники колебаний имеет хорошо различимые продолговатые структуры, вытянутые вдоль направления магнитного поля. С помощью пространственно-временных срезов в этих структурах было обнаружено распространение волновых фронтов вдоль направления корональных арок, а, следовательно, и вдоль магнитного поля. Сделан вывод, что продолговатые детали на узкополосном ПВФ-изображении источников трёхминутных колебаний, отмечают пути волн, распространяющихся из нижних слоев атмосферы в корону.

 Рис. 3 Сравнение источников трёхминутных-7

 Рис. 3 Сравнение источников трёхминутных-8

Рис. 3 Сравнение источников трёхминутных колебаний в микроволновом и крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Слева (а) показано изображение активной области NOAA 10756 за 4 мая 2005 г. в белом цвете, полученное орбитальной обсерваторией TRACE. Белыми контурами нанесено изображение источника трёхминутных колебаний в микроволновом диапазоне (17 ГГц) по данным NoRH (03:50 – 04:20 UT). Чёрным пунктиром показаны контуры источника микроволнового радиоизлучения в канале круговой поляризации. Справа (b) белыми контурами показаны источники трёхминутных колебаний в короне (03:30 – 03:50 UT). Чёрными контурами нанесено изображение активной области в крайнем ультрафиолете (TRACE, 171)

В разделе 2.2 рассмотрена пространственная структура и динамика трёхминутных колебаний в переходной зоне по данным наблюдений в микроволновом диапазоне, выполненных на радиогелиографе Нобеяма. Обнаружено, что большая часть мощности колебаний сосредоточена в нескольких областях вытянутой («волновые следы») или симметричной формы, расположенных над тенью пятна. Показано, что отдельные компоненты источника колебаний связаны с основаниями корональных структур. Проведено исследование стабильности обнаруженных областей с повышенной мощностью колебаний. Для этого непрерывная последовательность радиоизображений длительностью два с половиной часа анализировалась с помощью метода ПВФ. Обнаружено, что «волновые следы» не являются стационарными образованиями. Пространственное распределение мощности колебаний изменяется, одни элементы появляются, другие исчезают. Характерный временной масштаб изменения конфигурации источников колебаний составляет 30–40 минут и по порядку величины совпадает со средним временным интервалом между цугами трёхминутных колебаний.

Результаты второй главы диссертации опубликованы в [1*, 2*, 5*, 6*].

В третьей главе исследована связь трёхминутных колебаний в пятнах и энерговыделения во время солнечных вспышек в близлежащих областях.

В разделе 3.1 Описаны квазипериодические вариации потока микроволнового излучения в активной области NOAA 10756 во время её прохождения по солнечному диску с 28 апреля по 4 мая 2005 года. Во время наблюдений выбранная активная область оставалась единственной на диске Солнца. В ней произошло несколько вспышек.

Анализ корреляционного сигнала NoRH выявил постоянные квазипериодические вариации потока радиоизлучения с периодом около трёх минут на протяжении всего времени наблюдения. Присутствие периодической компоненты, как перед началом вспышек, так и во время высвобождения энергии дало возможность исследовать связь между эволюцией колебательных процессов в пятне и вспышечным энерговыделением.

В разделе 3.2 исследована солнечная вспышка 28 апреля 2005 года. Анализ корреляционных кривых показал, что на предвспышечной стадии амплитуда цугов трёхминутных колебаний значительно увеличивается. Цуг с максимальной амплитудой появляется за 15 – 20 минут до начала вспышки. Наблюдаемое явление свидетельствует о наличии связи между трёхминутными колебаниями и процессом вспышечного энерговыделения. Сделано предположение, что медленные МГД волны, двигающиеся вверх вдоль силовых линий магнитного поля, могут быть триггером начала солнечной вспышки. С помощью метода ПВФ было проведено детальное исследование пространственной структуры источников колебаний во время усиления колебательной активности перед вспышкой и непосредственно во время вспышки. Было обнаружено, что источники колебаний перед вспышкой образуют V-образные детали («волновые следы»), вытянутые вдоль корональных структур, видимых в крайнем ультрафиолете. Эти детали интерпретируются как пути распространения волн вдоль силовых линий магнитного поля. Ориентация «следов» в сторону местоположения будущей вспышки указывает на взаимосвязь волнового и вспышечного процессов. Существование трёхминутной периодичности интенсивности вспышечного радиоизлучения является дополнительным аргументов в пользу реальности этой связи.



Pages:     | 1 || 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.