本發(fā)明涉及太陽較差自轉(zhuǎn)計算，具體涉及一種基于通量調(diào)制法的太陽較差自轉(zhuǎn)的計算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、太陽表面不同緯度處的自轉(zhuǎn)角速度是具有差異的，這種自轉(zhuǎn)角速度隨緯度變化的現(xiàn)象稱為較差自轉(zhuǎn)。太陽差動自轉(zhuǎn)為理解太陽活動起源的太陽發(fā)電機理論提供了重要基礎(chǔ)。它在太陽內(nèi)部極向磁場向環(huán)向磁場轉(zhuǎn)化過程中起著關(guān)鍵作用，太陽自轉(zhuǎn)在太陽磁場中產(chǎn)生了拉伸和扭曲，產(chǎn)生了太陽黑子和其表面的大部分活動。地球的大氣臭氧等地球活動現(xiàn)象，以及地球的公轉(zhuǎn)都與太陽的自轉(zhuǎn)存在著密切的聯(lián)系。

2、對于太陽較差自轉(zhuǎn)的觀測和計算，最先是使用太陽表面的黑子群作為示蹤物，這種示蹤物法主要是通過確定太陽表面那些變化緩慢的特征結(jié)構(gòu)的位置變化來測定自轉(zhuǎn)速度。不同的太陽層所用的示蹤物也并不相同，光球?qū)由峡梢允褂锰柡谧雍凸獍弋?dāng)作示蹤物。色球?qū)涌梢允褂米V斑、暗條，而在日冕中則可以使用冕洞作為示蹤物。隨著光譜學(xué)的發(fā)展，后來逐漸有研究者利通過測量日面邊緣不同緯度上所探測到的太陽光球譜線的多普勒頻移來計算自轉(zhuǎn)速度。

3、示蹤法的準確性可能會受到多種因素的影響，包括所使用的示蹤物質(zhì)類型、示蹤物質(zhì)自身的變化過程、追蹤和記錄的步驟、所使用的觀測設(shè)備以及觀測技術(shù)。示蹤法主要適用于研究低緯度帶內(nèi)的磁結(jié)構(gòu)較差自轉(zhuǎn)。光譜法在應(yīng)用時可能會受到太陽表面不同速度場的干擾，以及太陽散射光和譜線輪廓變化的影響。

4、此外，太陽黑子等示蹤物通常只出現(xiàn)在低緯度帶，因此傳統(tǒng)的示蹤物法在計算高緯度地區(qū)的自轉(zhuǎn)速度時存在局限性。傳統(tǒng)的示蹤物法存在不能計算高緯度的自轉(zhuǎn)速度的缺點。304埃、1600埃等極紫外和紫外太陽圖像的示蹤物可能不明顯或不易提取。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為克服了傳統(tǒng)的示蹤物法不能計算高緯度的自轉(zhuǎn)速度的缺點，本發(fā)明提供一種基于通量調(diào)制法的太陽較差自轉(zhuǎn)的計算方法及系統(tǒng)，實現(xiàn)對太陽高緯度地區(qū)自轉(zhuǎn)速度的準確計算。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、基于通量調(diào)制法的太陽較差自轉(zhuǎn)的計算方法，包括以下步驟：

4、步驟1：圖像預(yù)處理：對每天一張得到的太陽全日面圖像進行灰度變換，然后提取太陽全日面圖像的太陽圓盤；

5、步驟2：通量提取：將提取后的太陽圓盤進行緯度帶劃分，計算每個緯度帶紫外通量的平均值，得到每個緯度帶的通量時間序列；

6、步驟3：去趨勢處理：由于通量時間序列會有明顯的整體下降或者上升的趨勢，為了避免趨勢對后續(xù)結(jié)果的影響，需要對通量時間序列做去趨勢處理；

7、步驟4：帶通濾波：提取的通量時間序列中包含有多種頻率成分，對通量時間序列做傅里葉變換，帶通濾波去除其他非主要頻率成分，消除雜波的影響；

8、步驟5：自相關(guān)計算：將帶通濾波之后的通量時間序列進行自相關(guān)函數(shù)計算，并設(shè)置滯后天數(shù)為0-150天，得到自相關(guān)圖像；

9、步驟6：高斯擬合：最大自相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的滯后天數(shù)即為主要的周期，取第一個峰采用高斯擬合得到更加精確的自轉(zhuǎn)周期；

10、步驟7：計算自轉(zhuǎn)速度：高斯擬合得到的太陽自轉(zhuǎn)周期，經(jīng)過公式計算得到太陽各緯度帶的恒星自轉(zhuǎn)周期和自轉(zhuǎn)速度；

11、步驟8：計算較差自轉(zhuǎn)系數(shù)：得到太陽各緯度帶的恒星自轉(zhuǎn)速度后，可以采用公式擬合得到太陽較差自轉(zhuǎn)系數(shù)。

12、所述步驟1中，將太陽全日面圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，具體是：將圖2的每個像素點的rgb值轉(zhuǎn)換為一個灰度值，得到一個灰度圖；然后對灰度圖進行霍夫檢測，具體是：使用sobel算子對灰度圖進行邊緣檢測；確定太陽圓盤的圓心與半徑，再利用掩膜把全日面圓盤提取出來，具體是根據(jù)霍夫檢測得到的圓心和半徑，創(chuàng)建一個與原圖像大小相同的掩膜圖像，掩膜圖像中只有太陽圓盤區(qū)域的像素值為1，其余區(qū)域的像素值為0。然后將掩膜圖像與原圖像逐像素相乘，得到只包含太陽圓盤的圖像。

13、所述步驟2中，將經(jīng)過預(yù)處理之后太陽圓盤，從赤道到北半球或南半球，矩形帶從低緯度到高緯度以10°的間隔劃分。太陽圓盤上劃分了16個矩形條，覆蓋了從南緯80°到北緯80°的范圍。通過計算每個矩形條像素的平均灰度值來提取通量，具體是：對于圖2中所劃分的每個矩形條，提取其內(nèi)部所有像素的灰度值，計算矩形條內(nèi)所有像素灰度值的平均值作為通量。進一步得到不同緯度的年平均紫外通量時間序列，具體是：每個緯度帶每天都對應(yīng)一個通量值，從而構(gòu)成一個通量時間序列，劃分的16個矩形條可以獲得16個不同緯度的通量時間序列。

14、所述步驟3中，首先對通量時間序列di取平均值到然后對通量時間序列進行多項式擬合，通過多項式函數(shù)來近似描述數(shù)據(jù)的變化趨勢，多項式擬合次數(shù)為8，得到擬合數(shù)據(jù)fi。根據(jù)式(1)所示，計算得到去趨勢后的通量時間序列si，其中，i表示的是時間天；

15、

16、所述步驟4中，對通量時間序列做傅里葉變換，具體是利用離散傅里葉變換公式將通量時間序列從時域轉(zhuǎn)換到頻域；

17、觀察其在頻域內(nèi)的頻率分布，找到主要成分的頻率范圍，具體是在頻域圖中，高振幅的頻率成分對應(yīng)著數(shù)據(jù)中的顯著周期性，分析頻域圖，可以確定主要成分的頻率范圍。假設(shè)主要成分的頻率范圍為f1到f2，則可以將這個范圍內(nèi)的頻率成分保留下來，而將其他頻率成分視為噪聲；

18、使用帶通濾波去除其他噪聲成分，具體是帶通濾波是一種濾波技術(shù)，用于保留特定f1到f2頻率范圍內(nèi)的信號，而去除其他頻率范圍內(nèi)的信號；

19、然后進行傅里葉逆變換，接著取實部，具體是利用傅里葉逆變換公式將通量時間序列從頻域轉(zhuǎn)換到時域，由于傅里葉逆變換的結(jié)果是一個復(fù)數(shù)信號，因此需要取其實部，以得到實際的時域信號；就可以得到帶通濾波之后的時序數(shù)據(jù)，具體是所得到的時域信號就是數(shù)據(jù)去除了噪聲成分，保留了主要的周期性成分，可以用于進一步的分析和研究。

20、所述步驟5中，將帶通濾波之后的通量時間序列進行自相關(guān)函數(shù)計算，如式(2)所示：

21、

22、其中，acf(h)表示時間序列在時間延遲h下的自相關(guān)系數(shù)；cov(yt,yt-h)表示時間序列在時刻t和t-h之間的協(xié)方差，yt表示在時間t時候的通量序列值，yt-h表示在時間t-h的時候的序列值；var(yt)表示時間序列在時刻t的方差。

23、步驟5中，自相關(guān)圖中最大自相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的滯后天數(shù)即為主要的周期，具體是如圖5所示自相關(guān)圖在滯后h處出現(xiàn)最大自相關(guān)系數(shù)，且該滯后h對應(yīng)的天數(shù)為時間序列的主要周期。

24、所述步驟6中，選擇第一個次級峰來進行高斯擬合，以便獲得準確的太陽會合周期tsynodic。具體是圖5所示，在分析時間序列的自相關(guān)函數(shù)(acf)圖時，通常會觀察到多個峰值。其中，第一個次級峰，即第一個顯著的非零滯后峰值通常對應(yīng)于時間序列的主要周期。如圖6所示，選擇這個次級峰進行高斯擬合，可以更準確地確定周期。

25、所述步驟7中，將太陽會合周期tsynodic轉(zhuǎn)換為恒星自轉(zhuǎn)周期tsidereal，轉(zhuǎn)換公式如式(3)所示：

26、

27、其中，t0是衛(wèi)星的軌道周期。

28、太陽各緯度帶自轉(zhuǎn)速度ω與太陽各緯度帶的恒星自轉(zhuǎn)周期tsidereal之間的關(guān)系如式(4)所示：

29、

30、所述步驟8中，采用式(5)擬合太陽自轉(zhuǎn)速度與緯度之間的函數(shù)，從而得到較差自轉(zhuǎn)系數(shù)a、b值；

31、ω(φ)＝a+bsin2(φ)??(5)；

32、其中，表示的緯度大小，單位為度，表示在緯度為處的自轉(zhuǎn)角速度；系數(shù)a代表太陽表面赤道處的自轉(zhuǎn)角速度，系數(shù)b代表緯向較差程度。

33、基于通量調(diào)制法的太陽較差自轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，包括：

34、圖像處理設(shè)備，所述圖像處理設(shè)備為計算機，包括用于執(zhí)行基于通量調(diào)制法的太陽較差自轉(zhuǎn)的計算方法；

35、圖像顯示設(shè)備，所述圖像顯示設(shè)備為顯示屏，用于顯示由所述計算方法處理后的圖像。

36、本發(fā)明一種基于通量調(diào)制法的太陽較差自轉(zhuǎn)的計算方法及系統(tǒng)，技術(shù)效果如下：

37、1)本發(fā)明的步驟1高效提取太陽圓盤特征：通過將太陽全日面圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖并進行霍夫檢測，能夠快速、準確地確定太陽圓盤的圓心與半徑，并利用掩膜提取全日面圓盤；灰度化和掩膜提取等預(yù)處理操作，使得太陽圓盤的特征更加突出，便于后續(xù)步驟的分析和處理。這種數(shù)據(jù)預(yù)處理方式在圖像處理領(lǐng)域具有一定的創(chuàng)新性，該方法適用于不同分辨率和不同質(zhì)量的太陽圖像，具有較強的適應(yīng)性和通用性；

38、2)本發(fā)明的步驟2精細化緯度分析：將太陽圓盤從赤道到南北半球以10°緯度間隔劃分矩形帶，覆蓋從南緯80°到北緯80°的范圍，實現(xiàn)了對太陽不同緯度區(qū)域的精細化分析，這種劃分方式能夠更準確地捕捉太陽活動在不同緯度的變化規(guī)律，為研究太陽活動的緯度分布提供了更詳細的數(shù)據(jù)支持。通過計算每個矩形條像素的平均灰度值來提取通量，這種方法簡單、直接且有效。生成不同緯度的年平均紫外通量時間序列，豐富了太陽活動的研究數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于進一步分析太陽活動的長期變化趨勢，為太陽物理研究提供了寶貴的資源；

39、3)本發(fā)明的步驟3趨勢分析的準確性：對通量時間序列進行多項式擬合，能夠有效去除數(shù)據(jù)中的噪聲和隨機波動，擬合后的數(shù)據(jù)更加平滑，能夠更準確地反映太陽活動的長期變化趨勢，為研究太陽活動的周期性和規(guī)律性提供了更可靠的依據(jù)；

40、4)本發(fā)明的步驟4噪聲去除效果顯著：通過傅里葉變換將通量時間序列轉(zhuǎn)換到頻域，觀察其頻率分布，并使用帶通濾波去除其他噪聲成分，這種方法能夠有效去除時間序列中的高頻噪聲和低頻干擾，保留主要的周期性成分，提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性。傅里葉變換和帶通濾波相結(jié)合，能夠準確識別時間序列中的主要周期成分。這種高效的處理方式能夠快速完成數(shù)據(jù)的頻域分析和濾波操作，提高了整個分析流程的效率；

41、5)本發(fā)明的步驟5周期性識別的準確性：通過自相關(guān)函數(shù)計算和自相關(guān)圖分析，能夠準確識別時間序列的主要周期，自相關(guān)圖中的最大自相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的滯后天數(shù)即為主要的周期，這種方法簡單、直觀且有效。自相關(guān)函數(shù)是一種常用的統(tǒng)計分析方法，具有較高的可靠性和可重復(fù)性，這種方法能夠為太陽活動研究提供可靠的統(tǒng)計分析結(jié)果，增強了研究的科學(xué)性和可信度；

42、6)本發(fā)明的步驟6精確確定周期：選擇第一個次級峰進行高斯擬合，能夠精確確定太陽會合周期，高斯擬合能夠有效減少噪聲的影響，提高周期估計的準確性，為研究太陽活動的周期性提供了更精確的時間尺度。這有助于更準確地理解太陽活動的周期性規(guī)律，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了重要的參考依據(jù)；

43、7)本發(fā)明的步驟7通過轉(zhuǎn)換公式，可以將觀測到的會合周期精確地轉(zhuǎn)換為恒星自轉(zhuǎn)周期，從而更準確地反映太陽的真實自轉(zhuǎn)情況?？紤]了太陽的較差自轉(zhuǎn)特性，能夠針對不同緯度的太陽活動區(qū)域分別計算其自轉(zhuǎn)周期。該方法可以為研究太陽活動的緯度分布提供更豐富的數(shù)據(jù)，有助于深入理解太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)；

44、8)304埃、1600埃等極紫外和紫外太陽圖像的示蹤物可能不明顯或不易提取。本發(fā)明的通量調(diào)制方法能夠提供一種新的分析手段，使得在這些波長下的圖像中也能夠進行有效的自轉(zhuǎn)速度分析，從而克服了示蹤物等傳統(tǒng)方法的不足。