太陽風(fēng)與地球磁層的相互作用以及由此產(chǎn)生的地球空間動力學(xué)是空間物理學(xué)的關(guān)鍵問題之一。為了更好地理解和預(yù)測太陽活動對地球空間環(huán)境的影響，需要模擬太陽風(fēng)質(zhì)量、動量和能量通過太陽風(fēng)-磁層-電離層系統(tǒng)的傳輸過程。由于地球磁層不斷適應(yīng)不同的太陽風(fēng)壓力和行星際磁場（IMF）方向，導(dǎo)致日側(cè)磁層頂和尖點的位置和形態(tài)發(fā)生變化，通過研究這些變化，可以揭示太陽風(fēng)-磁層相互作用的本質(zhì)。為了全面掌握地球空間環(huán)境與太陽風(fēng)相互作用的復(fù)雜耦合機制和動態(tài)過程，必須觀測地球日側(cè)磁層頂?shù)娜盎顒?。太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）任務(wù)由中國科學(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確性并增強空間天氣預(yù)報能力。它將通過對日側(cè)磁層頂、磁鞘和極尖區(qū)的實時全景成像來實現(xiàn)這一目標，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簽缺失的特點，如何快速準確地從這些圖像中檢測磁層頂切線方向是當前研究的重點。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點實驗室牛文龍副研究員團隊與太陽活動與空間天氣重點實驗室孫天然研究員團隊共同提出了一種從低信噪比和多視角 SXI 圖像中進行無監(jiān)督磁層頂切線方向檢測的新方法。該方法基于 SMILE 衛(wèi)星任務(wù)，成功地從多個觀測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。具體的檢測過程如圖1所示，首先我們仿真了不同太陽風(fēng)密度、不同觀測角度下的磁流體動力學(xué)（MHD）圖像，后續(xù)對其進行SXI仿真，最后經(jīng)過模型檢測得到磁層頂?shù)那芯€方向。

圖1? 磁層頂切線方向的檢測過程

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SMILE衛(wèi)星獲取的真實圖像中磁層頂切線方向真值標注困難以及磁層軟X射線發(fā)射理論模型輸出與磁層實際軟X射線發(fā)射之間固有的差異，提出了一種兩階段無監(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模型作為目標域數(shù)據(jù)，通過使用輔助分類器、偽標簽學(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)射后獲得的真實數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，而無需進行真值標記，增強了在未來磁層頂切線方向檢測工作的實際適用性。另外，衛(wèi)星未來如果遇到低太陽風(fēng)密度和不利觀測視點的情況下，低信噪比 SXI 圖像中的磁層頂切線方向檢測將變得更具挑戰(zhàn)性。為了解決這個困難，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)男螤罴毠?jié)，從而完善其模型的檢測能力，保證了磁層頂?shù)那芯€方向檢測精度。最后通過對比、消融實驗和 TFA 實驗，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)

該研究得到了中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、中國科學(xué)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目的資助，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，第一作者是中國科學(xué)院國家空間科學(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，合作者還包括中國科學(xué)院國家空間科學(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）