太陽風(fēng)與地磁層的相互作用觀測是空間天氣監(jiān)測的關(guān)鍵。即將發(fā)射的“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像（SMILE）”和“月球環(huán)境日光層X射線成像儀（LEXI）”任務(wù)，均搭載了軟X射線成像儀（SXI），將對地球磁層進行全面的全球成像。這些任務(wù)的目標(biāo)是更深入地解析地磁層對太陽風(fēng)擾動的動態(tài)響應(yīng)。然而，短時X射線成像受制于宇宙X射線背景和泊松噪聲影響，信噪比（SNR）較低，難以提供清晰的磁層結(jié)構(gòu)細節(jié)。而長時間積分的X射線成像盡管可以提供較高的信噪比，卻無法捕捉到積分時間內(nèi)的磁層快速動態(tài)變化。

圖1 從航天器（或月球）觀測位置變化的觀測幾何以及磁鞘狀態(tài)的變化示意圖

近日，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)重點實驗室李大林副研究員團隊聯(lián)合太陽活動與空間天氣重點實驗室的孫天然研究員團隊，提出了一種基于OMNI太陽風(fēng)參數(shù)和SXI模擬觀測的自適應(yīng)X射線動態(tài)圖像估計方法。研究成果發(fā)表于空間科學(xué)領(lǐng)域期刊《Space Weather》上，第一作者是中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心博士研究生王榮聰，通訊作者是李大林副研究員，孫天然研究員。

該方法依托高時間分辨率的OMNI太陽風(fēng)數(shù)據(jù)及低時間分辨率的軟X射線模擬圖像，以自適應(yīng)X射線圖像估計器（AXDI-Estimator）和時空判別器（ST-Discriminator）為核心，推斷出高時間分辨率的磁層動態(tài)X射線圖像。更為重要的是，該方法具備靈活的時間間隔適應(yīng)能力（>3分鐘），能夠滿足多樣化的任務(wù)需求。

圖2 自適應(yīng)動態(tài)X射線圖像估計過程

實驗結(jié)果顯示，該方法在峰值信噪比（PSNR）和結(jié)構(gòu)相似性（SSIM）等關(guān)鍵指標(biāo)上遠超傳統(tǒng)的線性插值和光流插值方法，顯著提升了圖像質(zhì)量。，同時在圖像估計的一致性上具有極高的靈活性，能夠支持任意時間間隔的動態(tài)磁層圖像估計任務(wù)，顯示出廣泛的應(yīng)用前景。

圖3 自適應(yīng)動態(tài)X射線圖像估計結(jié)果

本項研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項及中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心攀登計劃的資助支持。該成果為未來軟X射線觀測技術(shù)下的磁層動態(tài)估計提供了新視角和重要借鑒。

文章鏈接

Wang,R.C., Jorgensen, A. M., Li,D., Sun, T., Yang, Z., & Peng, X. (2024). An adaptive X‐ray dynamic image estimation method based on OMNI solar wind parameters and SXI simulated observations. Space Weather, 22, e2024SW004040. https://doi.org/10.1029/ 2024SW004040.

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（供稿：系統(tǒng)室）