太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的相互作用以及由此產(chǎn)生的地球空間動(dòng)力學(xué)是空間物理學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為了更好地理解和預(yù)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響，需要模擬太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)量、動(dòng)量和能量通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層系統(tǒng)的傳輸過(guò)程。由于地球磁層不斷適應(yīng)不同的太陽(yáng)風(fēng)壓力和行星際磁場(chǎng)（IMF）方向，導(dǎo)致日側(cè)磁層頂和尖點(diǎn)的位置和形態(tài)發(fā)生變化，通過(guò)研究這些變化，可以揭示太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用的本質(zhì)。為了全面掌握地球空間環(huán)境與太陽(yáng)風(fēng)相互作用的復(fù)雜耦合機(jī)制和動(dòng)態(tài)過(guò)程，必須觀測(cè)地球日側(cè)磁層頂?shù)娜盎顒?dòng)。太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）任務(wù)由中國(guó)科學(xué)院和歐洲航天局聯(lián)合發(fā)起，旨在提高地球磁層物理模型的準(zhǔn)確性并增強(qiáng)空間天氣預(yù)報(bào)能力。它將通過(guò)對(duì)日側(cè)磁層頂、磁鞘和極尖區(qū)的實(shí)時(shí)全景成像來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，以便更好地了解導(dǎo)致太空天氣變化的事件。然而，SMILE衛(wèi)星獲取的多視角軟X射線（SXI）圖像具有低信噪比和真值標(biāo)簽缺失的特點(diǎn)，如何快速準(zhǔn)確地從這些圖像中檢測(cè)磁層頂切線方向是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牛文龍副研究員團(tuán)隊(duì)與太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫天然研究員團(tuán)隊(duì)共同提出了一種從低信噪比和多視角 SXI 圖像中進(jìn)行無(wú)監(jiān)督磁層頂切線方向檢測(cè)的新方法。該方法基于 SMILE 衛(wèi)星任務(wù)，成功地從多個(gè)觀測(cè)視角捕獲的低信噪比模擬 SXI 圖像中提取了磁層頂切線方向。具體的檢測(cè)過(guò)程如圖1所示，首先我們仿真了不同太陽(yáng)風(fēng)密度、不同觀測(cè)角度下的磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）圖像，后續(xù)對(duì)其進(jìn)行SXI仿真，最后經(jīng)過(guò)模型檢測(cè)得到磁層頂?shù)那芯€方向。

圖1? 磁層頂切線方向的檢測(cè)過(guò)程

具體而言，本方法的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。首先，考慮到未來(lái)SMILE衛(wèi)星獲取的真實(shí)圖像中磁層頂切線方向真值標(biāo)注困難以及磁層軟X射線發(fā)射理論模型輸出與磁層實(shí)際軟X射線發(fā)射之間固有的差異，提出了一種兩階段無(wú)監(jiān)督域適應(yīng)（UDA）訓(xùn)練策略。該策略使用Jorgensen & Sun模型作為源域數(shù)據(jù)，MHD模型作為目標(biāo)域數(shù)據(jù)，通過(guò)使用輔助分類器、偽標(biāo)簽學(xué)習(xí)等技術(shù)，允許模型能夠從源域模型微調(diào)到目標(biāo)域模型，以便后續(xù)模型可以直接利用SMILE衛(wèi)星發(fā)射后獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，而無(wú)需進(jìn)行真值標(biāo)記，增強(qiáng)了在未來(lái)磁層頂切線方向檢測(cè)工作的實(shí)際適用性。另外，衛(wèi)星未來(lái)如果遇到低太陽(yáng)風(fēng)密度和不利觀測(cè)視點(diǎn)的情況下，低信噪比 SXI 圖像中的磁層頂切線方向檢測(cè)將變得更具挑戰(zhàn)性。為了解決這個(gè)困難，本方法提出的殘差注意力U-Net網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使模型能夠優(yōu)先考慮磁層頂?shù)男螤罴?xì)節(jié)，從而完善其模型的檢測(cè)能力，保證了磁層頂?shù)那芯€方向檢測(cè)精度。最后通過(guò)對(duì)比、消融實(shí)驗(yàn)和 TFA 實(shí)驗(yàn)，一致證明了所提出的方法的有效性。

圖2 本方法的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該研究得到了中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助，發(fā)表在地球科學(xué)與遙感領(lǐng)域期刊 IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 上，第一作者是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心、杭州高等研究院聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生劉冰琰，通訊作者是牛文龍副研究員，合作者還包括中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員孫天然等。

引用：[1]B. Liu et al., "RUPDA: An Unsupervised Method for Magnetopause Tangent Direction Detection With Multiviewpoints in Low SNR," in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 62, pp. 1-24, 2024, Art no. 5930024, doi: 10.1109/TGRS.2024.3471778.

論文鏈接：https://doi.org/10.1109/TGRS.2024.3471778

（供稿：系統(tǒng)室）