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基于神经网络的ASO-S/FMG磁场非线性定标方法研究

批准号:
12073077
项目类别:
面上项目
资助金额:
67.0 万元
负责人:
季凯帆
学科分类:
天文信息技术、海量数据处理及数值模拟方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
季凯帆

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
本项目旨在解决我国第一颗太阳观测卫星ASO-S的FMG载荷的磁场定标这一关键问题。针对FMG单点偏振观测的不足,计划利用全新的机器学习思想来构建一个具有普适性和实用性的磁场非线性定标模型,进一步保证FMG观测数据的科学应用。既要解决传统方法采用弱场近似、线性定标带来的磁饱和效应,也要克服各种波长漂移对定标的影响,并将太阳物理研究的科学需求直接和定标模型相关联。关键技术包括:数据预处理、神经网络构架、超参数优化和训练策略、损失函数选择、迁移与增量学习等。我们前期研究已经证明了这一方案的可行性。本项目是一个具有明确需求导向、问题导向和目标导向的天文新技术方法研究。创新之处在于提出运用神经网络构架来建立单点偏振信号和矢量磁场的非线性关系模型,彻底改变了传统的线性定标方法,为FMG以及下一代太阳磁场观测设备的观测和数据处理方法提供了全新的思路,也为人工智能技术和天文研究密切结合提供了新的切入点。
英文摘要
This proposal aims to solve the key problem of magnetic field calibration for ASO-S/FMG. Based on the existing observation model of FMG, a non-linear magnetic field calibration method by neural network will be developed. We try to solve the magnetic saturation effect caused by weak field approximation and linear calibration, and overcome the influence of wavelength shifts. The network will directly link the scientific needs of solar physics research. We believe that it will improve the magnetic field calibration accuracy of FMG significantly. The research contents include: the calibration of strong magnetic field, the influence of wavelength shifts on magnetic field calibration, and the availability of the results generated by machine learning in the study of solar physics. The problems to be solved include data preprocessing, neural network architecture, hyper parameters optimization and training strategy, loss function definition, transfer and incremental learning. The method can not only be applied for ASO-S, the first solar telescope of China, but also give contribution to the astronomical technology and methods. The biggest different between this proposal and the traditional calibration method is that we apply a neural network architecture of machine learning to establish a non-linear connection between single wavelength polarization signal and vector magnetic field. At the same time, it is also a new idea to take scientific application as the loss function of network for verifying the concept. It will provide a new idea for combining artificial intelligence technology and astronomical research.
本项目的根本目标是试图解决FMG在轨飞行时候单波段磁场定标找常规的线性定标面临的两大问题:强磁场的饱和及卫星轨道速度和太阳自转带来的波长漂移。首先我们利用仿真数据建立了两个神经网络模型,有效地矫正了线性定标的磁饱和效应,并在怀柔基地的地面观测数据也进行了验证。然后又研究了卫星运动和太阳自转带来的波长漂移问题,通过建立一个基于Resnet的卷积神经网络构架,同时将卫星运动速度和太阳自转速度也作为输入参数,训练和测试的结果同样表明机器学习依然能得到这6个参数和矢量磁场的对应关系。最后将这一框架应用到实际FMG数据中后,不但磁饱和效应非常好的解决;波长漂移的影响也大幅度减小。这说明可以用一个通用模型来实现偏振观测数据到矢量磁场的非线性定标。另外我们将机器学习的思想引入磁场反演的ME物理理论模型,用机器学习模型替代物理的ME模型,结合马尔科夫链蒙特卡洛方法,利用贝叶斯推断来计算矢量磁场。这一方法和标准磁场反演方法得到了非常一致的结果,同时还能给出参数的不确定性,也证明了机器学习可以和物理模型很好的融合。经过这四年的研究,在用机器学习建立偏振数据和矢量磁场的对应模型上有了很多进展,通过大量实验,不仅仅研究了如何建立这个模型,而且探索了这些模型背后代表的物理意义,最终还给出了FMG实际可用的模型。
46.5nm极紫外太阳成像仪(SUTRI)观测数据的深度处理和应用
  • 批准号:
    12373115
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54.00万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    季凯帆
  • 依托单位:
NVST光栅光谱仪成谱成像数据处理研究
  • 批准号:
    11773072
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    季凯帆
  • 依托单位:
太阳高分辨序列图像处理的关键技术研究
  • 批准号:
    11573012
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    69.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    季凯帆
  • 依托单位:
国内基金
海外基金