CN101872104A

CN101872104A - 一种智能化太阳耀斑数据观测方法

Info

Publication number: CN101872104A
Application number: CN 201010185894
Authority: CN
Inventors: 林佳本; 邓元勇; 胡柯良; 郭娟
Original assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Current assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: CN101872104B

Abstract

本发明公开了智能化太阳耀斑数据观测方法，包括：开启太阳耀斑观测系统，定时采集获取到的太阳图像数据，并保存在内存中；判断太阳耀斑是否爆发，若有耀斑爆发，则自动调整预设的曝光时间，同时调整数据采集模式，采集太阳耀斑数据，然后将太阳耀斑观测系统所采集的耀斑数据或太阳图像数据保存在硬盘中。应用上述观测方法，能够自动监控耀斑事件的爆发和发出报警信息，还可以通过启动快速数据采集模式对耀斑爆发数据进行记录，能够实现无人值守的自动观测；另外，由于本发明方法能够应用于现有太阳耀斑观测系统中，曝光时间和采集速度实现自动控制，获得的耀斑数据具有更高的时间和空间分辨率。

Description

一种智能化太阳耀斑数据观测方法

技术领域

本发明涉及天文观测领域的太阳物理研究技术，尤其涉及一种智能化太阳耀斑数据观测方法。

背景技术

太阳耀斑、暗条爆发、日冕物质抛射(CME)是日面上的三类剧烈活动现象，对它们的研究不但能够帮助太阳物理学家更好的理解太阳物理，而且对与国计民生息息相关的空间天气预报有着重要意义。太阳耀斑是在太阳色球层次(Hα波段)观测到的一类剧烈活动现象，它的观测特点一般是具有闪相/爆发相和持续相两个阶段。其中，太阳耀斑亮度迅速增大期称为闪相，而耀斑面积迅速增大期称为爆发相。每个太阳耀斑初始阶段都有闪相，但不一定有暴发相。在闪相/爆发相阶段太阳耀斑的发展变化非常快，亮度可增加几倍到几十倍，面积迅速扩大，持续时间一般为几秒到几分钟；持续相则是在耀斑达到最大亮度和面积之后保持时间长达几十分钟甚至几个小时的一个阶段。

太阳耀斑爆发相的快速演化过程是太阳物理研究领域的热点问题之一，太阳物理研究表明，太阳耀斑爆发能量的来源是太阳磁场，而究竟是什么因素触发了太阳磁场能量的释放，至今仍然停留在模型研究阶段，目前还没有明确的答案。太阳物理学家们认为在太阳耀斑的爆发相阶段可能隐藏着其触发机制的蛛丝马迹。而为了对太阳耀斑爆发相的快速演化过程进行研究，就需要对太阳耀斑发生时刻的太阳图像等关键信息进行采集和记录。

现有常规观测方法通常由观测员进行人工采集操作，一般每5分钟采集一张图像，如果观测员看到有耀斑发生，也可更换采集模式——局部采集模式，以加快采集速度。

但采用上述人工采集模式有如下缺陷和不足之处：其一、由于人工操作的图像采集速度比较慢，获得数据的时间分辨率比较低；其二、人工判断不准确，可能错过耀斑爆发时间，导致数据采集不全面；其三、由于没有曝光时间自动控制，随着耀斑的增强CCD采集到的数据会出现溢出，从而无法看到耀斑核区的关键信息。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种智能化太阳耀斑数据观测方法，用以自动跟踪和判别太阳耀斑的爆发，并自动调节曝光时间和采集速度，提高观测数据的时间和空间分辨率，实现无人值守观测。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种智能化太阳耀斑数据观测方法，该方法包括如下步骤：

A、开启太阳耀斑观测系统，定时采集获取到的太阳图像数据，并保存在内存中；

B、判断太阳耀斑是否爆发，若有耀斑爆发，则执行步骤C；若无耀斑爆发，则执行步骤D；

C、自动调整预设的曝光时间，同时调整数据采集模式，采集太阳耀斑数据，然后执行步骤E；

D、采用常规观测方法采集获取的太阳图像数据，然后执行步骤E；

E、将太阳耀斑观测系统所采集的耀斑数据或太阳图像数据保存在硬盘中。

其中，步骤A所述定时采集的时间间隔能够预设或根据判断耀斑是否爆发的结果进行更改。

所述判断耀斑是否爆发的具体过程为：对太阳耀斑观测系统所采集的太阳图像CCD数据进行分析，根据CCD数据中饱和像素数目超过靶面面积的比例，将太阳耀斑分为低、中、高三个等级；当CCD数据中饱和像素数目超过预设的中等或以上耀斑等级时，则认为耀斑爆发；反之，则认为无耀斑爆发。

所述CCD数据中饱和像素为近饱和像素，所述近饱和像素为留有余量的接近饱和亮度值的像素。

所述太阳耀斑分为低、中、高三个等级的依据为：饱和像素数目低于靶面面积的百分之一时，对应低等；高于百分之一则为中等；高于百分之三十时对应为高等。

步骤C所述自动调整预设的曝光时间的过程为：当判断有耀斑爆发时，则降低采集图像的时间间隔，以及时准确捕捉到耀斑爆发过程；当无耀斑爆发时间超过一定时长时，则增加采集图像的时间间隔，以降低系统负荷和减少无用文件的存储。

步骤C所述调整数据采集模式的过程为：当判断有耀斑爆发时，则启动快速数据采集模式，调动系统资源以适应高速采集和存储数据的工作方式；当无耀斑爆发时间超过一定时长时，则恢复常态数据采集模式。

本发明所提供的智能化太阳耀斑数据观测方法，具有以下优点：

本发明太阳耀斑数据观测方法，采用近饱和亮度面积阈值法对太阳耀斑爆发与否进行判断，并相应调整曝光时间间隔，能够自动监控耀斑事件的爆发和发出报警信息，还可以通过启动快速数据采集模式对耀斑爆发数据进行记录，能够实现无人值守的自动观测；另外，由于本发明方法能够应用于现有太阳耀斑观测系统中，曝光时间和采集速度实现自动控制，获得的耀斑数据具有更高的时间和空间分辨率。经实验测试，本发明高分辨太阳耀斑观测系统的采集和存储速度可以达到每秒48帧全日面Hα图像，并具有耀斑发生判别、曝光时间自动控制及精确记录耀斑发生时刻等特点。

附图说明

图1为一个小规模的太阳耀斑爆发过程的亮度、面积变化曲线示意图；

图2为本发明智能化太阳耀斑数据观测方法流程图；

图3a～图3d为采用本发明智能化太阳耀斑数据观测方法所记录的实验结果效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。

图1为一个小规模的太阳耀斑爆发过程的亮度、面积变化曲线示意图，如图1所示，典型的光学耀斑观测特征可以通过该变化曲线展示出来，图中纵坐标代表耀斑面积大小值(单位：像元个数)，横坐标代表时间(单位：秒)。

通过对耀斑典型特征的统计分析，并结合光学耀斑等级分级标准，提出了下列近饱和面积阈值法进行耀斑爆发自动识别的方法：

以靶面为2K×2K的电荷藕合器件(CCD，Charge Coupled Device)为例，当饱和像素数目超过日面面积的百分之一的时候，即当约有200×200的饱和像素的时候，则对应着中等(M)或以上级别的耀斑。这里，假设我们将耀斑等级分为三级，即低等(S)、中等(M)和高等(L)三个等级；设饱和像素数目低于靶面面积的百分之一时，对应S级；高于百分之一则为M级；高于百分之三十时对应为L级。

这样，我们可以把探测过程中CCD靶面上饱和像素数目作为耀斑爆发的一个判别参数，从而提出本发明的近饱和面积阈值法进行耀斑爆发自动识别。算法中采用近饱和亮度值，而不是使用饱和亮度值(例如：8位的CCD饱和亮度为255，那么我们则采用的近饱和阈值可以是251)，是为了留出一点余量，用于防止由于耀斑爆发造成的CCD数据溢出，从而使监测过程达到更及时、更准确的捕捉到耀斑爆发过程，记录重要数据的目的。

图2为本发明智能化太阳耀斑数据观测方法流程图，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤201、开启太阳耀斑观测系统，定时采集获取到的太阳图像数据，如CCD数据，并保存在内存中；

这里，所述定时采集的时间间隔可调，如，初始观测阶段，可预设为每16秒或32秒采集一次太阳图像数据；

步骤202、根据近饱和亮度面积阈值法，判断太阳耀斑是否爆发；若有耀斑爆发，则执行步骤203；若无耀斑爆发，则执行步骤204；

这里，所述判断太阳耀斑爆发与否的方法具体是：对所述太阳耀斑观测系统所采集的太阳图像CCD数据进行分析，当所述CCD数据中饱和像素(将达到或接近预设的近饱和阈值的像素，即可视为饱和像素)数目超过靶面面积的一定比例时，如，超过日面面积的百分之一时，此时对应着中等(M)或以上级别的耀斑，则视为耀斑爆发。反之，当CCD数据中饱和像素数目达不到预设靶面面积的一定比例时，则认为无耀斑爆发。

步骤203、将原预设曝光时间间隔减半，以加快采集太阳图像数据，同时启动快速数据采集模式，调动系统资源适应高速采集、高速存储的工作方式，然后执行步骤205；

另外，为适应太阳耀斑的集中式爆发场景，该系统还能够支持将原曝光时间间隔快速缩短的工作模式，如，可在每个采集周期结束后，将预设曝光时间间隔降低1秒或2秒的方式，也可采用将原预设曝光时间间隔降到原来的1/4、甚至1/8等，以便及时准确的捕捉到耀斑爆发过程，完整地记录下太阳图像数据。

这里，还可根据步骤202所述的近饱和亮度面积阈值法的判断结果，对曝光时间间隔进行正向调整。如，根据该判别方法，判断耀斑在一定时间内不会爆发，则可将原预设曝光时间拉长，譬如，将原预设时长由16秒，修改为32秒、60秒等；相应地，数据采集模式也随之变化，恢复常态数据采集模式，以起到在太阳耀斑的常态观测中，降低系统负荷、减少对无用文件的存储，从而节省了对观测资源的浪费。

步骤204、采用常规观测方法采集获取的太阳图像数据，然后执行步骤205；

步骤205、将该太阳耀斑观测系统所采集到的耀斑数据或太阳图像数据保存在硬盘中。

实验环境：

(1)相同条件下太阳耀斑爆发前和爆发后的结果进行对比，即CCD完成对整个耀斑爆发过程的采集，对未使用和使用了本发明的观测方法后获得的耀斑爆发结果数据进行对比；

(2)实验过程中采用的采集时间间隔：约16秒(调节过程)；

(3)本观测系统的工作模式：将所有数据实时存盘；

试验结果及分析如下：

取图像中我们最关心的耀斑核块部分进行对比。其中，未采用本发明的耀斑爆发判别方法获得的测量数据明显在耀斑核块处出现了大量像素像素溢出的现象，如图3a～图3b所示，这就造成了这一部分数据细节的丢失，不利于科学研究。而采用了本发明耀斑爆发判别方法获得的测量数据，则在耀斑核块部分很好的保持了其细节特征，如图3c～图3d所示。所述图3a和图3b分别是从所观测到的起始图像和结束图像中各取一条过耀斑核块的水平线，用以反映其灰度变化的曲线；图3c和图3d分别是从利用本发明耀斑爆发判别方法获得的起始图像和结束图像中各取一条过耀斑核块的水平线，用以反映其灰度变化的曲线。

(1)从图3a(起始图像)和图3b的具体比较结果可以看出，未采用自动曝光时间控制技术，采集所得最终图像有明显溢出，即图3b中所示的图像，亮度接近或超过临界值。

(2)而图3c(起始图像)和图3d的具体比较结果可以看出，采用本发明方法进行自动曝光时间控制技术，将曝光时间从32毫秒调节到4毫秒，采集所得的最终图像较好地保持了耀斑的亮部细节。

通过上述试验成功验证了耀斑发生前后亮度的变化过程中，本发明观测系统的采集数据能够很好地保持增亮部分即耀斑的图像细节，达到了预期的目标，证明了本发明观测方法和观测系统的有效性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1.一种智能化太阳耀斑数据观测方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的智能化太阳耀斑数据观测方法，其特征在于，步骤A所述定时采集的时间间隔能够预设或根据判断耀斑是否爆发的结果进行更改。

3.根据权利要求1或2所述的智能化太阳耀斑数据观测方法，其特征在于，所述判断耀斑是否爆发的具体过程为：对太阳耀斑观测系统所采集的太阳图像CCD数据进行分析，根据CCD数据中饱和像素数目超过靶面面积的比例，将太阳耀斑分为低、中、高三个等级；当CCD数据中饱和像素数目超过预设的中等或以上耀斑等级时，则认为耀斑爆发；反之，则认为无耀斑爆发。

4.根据权利要求3所述的智能化太阳耀斑数据观测方法，其特征在于，所述CCD数据中饱和像素为近饱和像素，所述近饱和像素为留有余量的接近饱和亮度值的像素。

5.根据权利要求3所述的智能化太阳耀斑数据观测方法，其特征在于，所述太阳耀斑分为低、中、高三个等级的依据为：饱和像素数目低于日面面积的百分之一时，对应低等；高于百分之一则为中等；高于百分之三十时对应为高等。

6.根据权利要求1所述的智能化太阳耀斑数据观测方法，其特征在于，步骤C所述自动调整预设的曝光时间的过程为：

当判断有耀斑爆发时，则降低采集图像的时间间隔，以及时准确捕捉到耀斑爆发过程；当判断到无耀斑爆发时间超过一定时长时，则增加曝光时间间隔，以降低系统负荷和减少无用文件的存储。

7.根据权利要求1所述的智能化太阳耀斑数据观测方法，其特征在于，步骤C所述调整数据采集模式的过程为：

当判断有耀斑爆发时，则启动快速数据采集模式，调动系统资源以适应高速采集和存储数据的工作方式；当无耀斑爆发时间超过一定时长时，则恢复常态数据采集模式。