太阳射电爆发实时监测预警方法、系统、存储介质及设备

1.本发明涉及地球物理技术领域，具体为太阳射电爆发实时监测预警方法、系统、存储介质及设备。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.根据太阳活动的剧烈程度，太阳射电可以分为宁静太阳射电、太阳缓变射电和太阳射电爆发三种不同的类型，其中太阳射电爆发是出现剧烈的太阳活动，太阳辐射强度远远大于宁静太阳射电和太阳缓变射电，会造成空间天气的剧烈变化，不仅会干扰航天器、空间站以及卫星的正常运行，而且会干扰到无线电通讯，影响导航系统，严重时甚至会使电力系统瘫痪。
4.目前针对太阳射电爆发的检测，通常根据每天观测的数据进行二次检测，通过检测到的爆发数据再进行精细处理，或者是通过人工观测发现爆发。这样的检测方法实时性较差，无法对空间天气进行预警，并且可能会遗漏爆发数据，并且此类爆发检测方法基于图像处理或者频域数据，实时性不强、检测方法较为繁琐，影响对空间天气进行预警的进程。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供太阳射电爆发实时监测预警方法、系统、存储介质及设备，将获取到的太阳射电信号转化为数字信号，并基于自适应方差分析以及斜率变化，通过太阳射电信号帧数与流量，和设定数量的宁静太阳射电状态下的均值大小确定太阳射电爆发的时间与峰值，并发出预警。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供太阳射电爆发实时监测预警方法，包括以下步骤：
8.获取太阳射电信号转化为数字信号得到太阳射电流量数据y
t
，获取太阳射电信号帧数为n，基于预存的n点宁静太阳状态下的射电数据得到均值y1；
9.当n《n时，得到y
t
与y1之间的差值θ
t
，θ
t
大于设定值则产生爆发并发出预警，否则未产生爆发；将爆发时的y
t
作为y1的更新值，若当前时刻y
t
小于更新后的y1，则爆发结束，保存爆发期间的y1；
10.当n＝n时，得到n点数据均值y2和方差s
12
，当s
12
大于设定值s2且y
t
与y2之间的差值θ
t
大于设定值则产生爆发并发出预警，否则未产生爆发；将爆发时的y
t
作为y2的更新值，若当前时刻y
t
小于更新后的y2，则爆发结束，保存爆发期间的y2；
11.当n》n时，每采集一帧新的数据，舍去前n帧数据中的第一帧数据，将其余n-1帧数据前移一位，将新采集的一帧数据作为移位处理后n帧数据的第n帧数据，得到移位处理后n帧数据的均值y和方差s
t2
，当s
t2
大于设定值s2，若y
t
与y之间的差值θ
t
大于设定值θ则产生爆发并发出预警；将爆发时的y
t
作为y的更新值y3，若当前时刻y
t
小于y的更新值y3，则爆发结
束，保存爆发期间的y和y3。
12.差值θ
t
为，以n点数据为横坐标，y为纵坐标形成的夹角，即实时值与均值之间夹角θ
t
不大于设定值θ时，未产生爆发，继续比较n与n的大小。
13.将爆发时的y
t
作为y1的更新值，作为后续判定是否爆发结束的条件。
14.若当前时刻y
t
的最大值小于更新后的y1，则爆发结束，保存爆发结束时间与此次爆发峰值，同时发出爆发结束的通知，并单独保存爆发数据；否则爆发未结束，继续比较y
t
与y1的大小。
15.n＝n时，若s
12
不大于设定值s2，则太阳处于宁静状态，此时继续比较n与n的大小；若s
12
大于设定值s2且θ
t
大于θ，则处于爆发状态；若s
12
大于设定值s2且θ
t
不大于θ，则处于宁静状态；宁静状态下继续比较n与n的大小。
16.本发明的第二个方面提供太阳射电爆发实时监测预警系统，包括：
17.信号天线，获取相应频带内的太阳射电信号，并转化为极化信号；
18.模拟接收机，接收极化信号输出模拟信号；
19.数字接收机，接收模拟信号并进行数字化处理和fft变换输出数字信号；
20.pc机，接收数字信号得到太阳射电流量数据y
t
，太阳射电信号帧数n，基于预存的n点宁静太阳状态下的射电数据执行太阳射电爆发监测，输出预警信息和监测信息。
21.发出预警信息的过程，具体为：
22.创建套接字；
23.套接字端口绑定；
24.pc机上的客户端向服务器发送请求，等待服务器回应；
25.根据tcp协议，服务器接收base64编码后的发送方邮箱账号以及授权码与客户端进行连接，并读取接收方邮箱以及邮件内容；
26.进行邮件发送并检测是否发送成功，如果发送成功，则断开服务器连接，关闭套接字。
27.本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
28.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的太阳射电爆发实时监测预警方法中的步骤。
29.本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
30.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的太阳射电爆发实时监测预警方法中的步骤。
31.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
32.1、利用数字信号形成的流量数据作为输入，通过数据流的自适应移位处理确保pc机计算所需的n帧数据，同时通过保存跟随数据流自适应变化的阈值，用于数据流的实时判断，从而能够实时监测太阳射电数据，动态检测太阳是否爆发。
33.2、当检测到太阳爆发后系统进入太阳爆发状态处理阶段，单独存储爆发数据，实时发送预警信息，记录爆发起始时间、结束时间及其峰值等相关信息，减少了人工筛选海量观测数据的工作量、有效提升了获取太阳爆发预警信息的效率、一定程度缓解了太阳射电观测系统海量数据存储的压力、提升了太阳爆发实时监测的智能化水平。
附图说明
34.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
35.图1为本发明一个或多个实施例提供的太阳射电爆发实时监测预警系统结构示意图；
36.图2为本发明一个或多个实施例提供的太阳射电爆发实时监测预警方法流程图；
37.图3为本发明一个或多个实施例提供的太阳射电爆发期间的远程预警流程图。
具体实施方式
38.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
39.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
40.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
41.正如背景技术中所描述的，现有太阳爆发检测主要存在以下缺点：
42.一、监测滞后性，目前基于已有的观测数据进行分析，从海量观测数据中筛选出太阳爆发数据并进行精细研究，因此目前的太阳爆发监测预警具有较强的滞后性；
43.二、缺少预警功能，现有的太阳爆发实时检测基本需要依靠人工查看太阳爆发结果，观测人员无法第一时间获取太阳爆发信息，爆发事件可能会被遗漏；
44.三、易引起数据丢失，现有的太阳爆发检测多为图像处理的方法，需要观测系统生成图像后再对其进行分析，由于其检测复杂度高，若在此期间发生太阳爆发，将会损失部分数据；
45.四、检测准确性不高，目前很多观测系统采用简单的阈值检测，虽然运算量小实时性强，但是准确性较低，无法实现精细检测。
46.因此，以下实施例给出太阳射电爆发实时监测预警方法、系统、存储介质及设备，将获取到的太阳射电信号转化为数字信号，并基于自适应方差分析以及斜率变化，通过太阳射电信号帧数与流量，和设定数量的宁静太阳射电状态下的均值大小确定太阳射电爆发的时间与峰值，并发出预警。
47.实施例一：
48.太阳射电爆发实时监测预警方法，包括以下步骤：
49.获取太阳射电信号转化为数字信号得到太阳射电流量数据y
t
，获取太阳射电信号帧数为n，基于预存的n点宁静太阳状态下的射电数据得到均值y1；
50.当n《n时，得到y
t
与y1之间的差值θ
t
，θ
t
大于设定值则产生爆发并发出预警，否则未产生爆发；将爆发时的y
t
作为y1的更新值，若当前时刻y
t
小于更新后的y1，则爆发结束，保存爆发期间的y1；
51.当n＝n时，得到n点数据均值y2和方差s
12
，当s
12
大于设定值s2且y
t
与y2之间的差值
θ
t
大于设定值则产生爆发并发出预警，否则未产生爆发；将爆发时的y
t
作为y2的更新值，若当前时刻y
t
小于更新后的y2，则爆发结束，保存爆发期间的y2；
52.当n》n时，每采集一帧新的数据，舍去前n帧数据中的第一帧数据，将其余n-1帧数据前移一位，将新采集的一帧数据作为移位处理后n帧数据的第n帧数据，得到移位处理后n帧数据的均值y和方差s
t2
，当s
t2
大于设定值s2，若y
t
与y之间的差值θ
t
大于设定值θ则产生爆发并发出预警；将爆发时的y
t
作为y的更新值y3，若当前时刻y
t
小于y的更新值y3，则爆发结束，保存爆发期间的y和y3。
53.上述方法将获取到的太阳射电信号转化为数字信号形成跟随太阳射电信号帧数实时更新的流量数据，通过设定数量的宁静太阳射电状态下的均值大小确定太阳射电爆发的时间与峰值，并发出预警，同时在检测爆发期间单独保存自适应变化的阈值y、y1、y2、y3，从而实现实时检测。
54.实施例二：
55.如图1所示，太阳射电爆发实时监测预警系统，包括信号天线、模拟接收机、数字接收机以及pc机四个部分构成，其中模拟接收机分为采集部分和接收部分。
56.系统原理如下：
57.1、信号天线跟踪并接收相应频带内的太阳射电信号，并将其转化为极化信号。
58.2、极化信号经模拟接收机进行放大、滤波、变频等处理，输出模拟信号。
59.3、模拟信号首先传输到数字接收机的采集部分，采集信号并进行数字化处理和fft变换，经光纤传输到接收部分并输出数字信号。
60.4、数字信号经pcie传输到pc机，通过pc机后续处理，进行太阳射电爆发的实时监测预警。
61.pc机实现太阳射电爆发的监测过程如下：
62.pc机利用接收到的数字信号形成的太阳射电流量数据，执行基于自适应方差分析以及斜率变化的太阳射电爆发实时监测预警算法，如图2所示，首先获取实时太阳射电流量数据y
t
，并记录获取的太阳射电信号帧数为n，其次通过比较n与n的大小分为以下三种情况：
63.1.n《n：首先计算y
t
与预存的n点宁静状态下数据均值y1之间的θ
t
，即以n为横坐标y(y＝y
t-y1)为纵坐标形成的夹角，或者说是n点数据之间的斜率。若θ
t
《θ，即实时斜率小于设定阈值θ时，则判定没有产生爆发，继续比较n与n的大小进入下一步骤；否则判定此时太阳开始爆发，进入爆发预警程序，系统首先记录爆发开始时间，同时发送爆发开始的预警信息，并且开始单独存储爆发数据。另外，系统记此时y
t
为y1，作为后续判定是否爆发结束的条件，采用该判定方法是为了防止出现多个峰值爆发的状况。
64.太阳爆发时，系统开始实时监测y
t
，并不断比较y
t
与y1的大小且不断比较爆发期间y
t
的最大值。若y
t
》y1，则判定爆发没有结束，继续比较y
t
与y1的大小；否则判定此次爆发结束，进入爆发结束程序，系统首先记录爆发结束时间与此次爆发峰值，同时发出爆发结束的通知，并单独存储爆发数据。
65.2.n＝n：首先计算n点数据均值y2和方差s
12
，其次比较s
12
和设定阈值s2的大小。若s
12
《s2，说明该组数据离散性正常，太阳处于宁静状态，此时继续比较n与n的大小进入下一步骤；否则说明该组数据离散性异常，进入第二层判断模型，即计算y
t
与y2之间的夹角θ
t
并
比较其与θ的大小关系。若θ
t
《θ，即实时斜率小于设定阈值θ时，则处于宁静状态，此时继续比较n与n的大小进入下一步骤；否则判定此时太阳开始爆发，进入爆发预警程序。
66.接下来，记此时y
t
为y2，开始实时监测y
t
并比较其与y2的大小关系，以此来判断是否爆发结束。若y
t
《y2，则判定此次爆发结束，进入爆发结束程序；否则判定爆发没有结束，继续比较y
t
与y2的大小。
67.3.n》n：该状态也是系统的绝大部分状态，工作状态下会有源源不断的数据流输入。考虑到算法的实时性以及太阳爆发数据的离散型，本设计了下述式(1)所示的数据流处理方式。
68.f(n-1)＝f(n)
69.n＝(n-n 1)...n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
70.式(1)表示的是数据的移位，即当获取的太阳射电信号帧数大于n时，每采集一帧新的数据，就用该帧数据代替前n帧数据中的第一帧数据，时刻保持n帧数据的计算。接下来，计算移位处理后n帧数据的均值y和方差s
t2
并比较s
t2
和设定阈值s2的大小。若s
t2
《s2，说明该组数据离散性正常，太阳处于宁静状态，继续进行数据移位和比较方差；否则说明该组数据离散性异常，进入第二层判断模型，即计算y
t
与y之间的夹角θ
t
并比较其与θ的大小关系。
71.若θ
t
《θ，即实时斜率小于设定阈值θ时，则处于宁静状态，此时进行比较实时数据y
t
与此刻均值y的大小关系，若y
t
》y，则继续比较实时数据y
t
与此刻均值y的大小关系，否则判定太阳处于宁静状态，继续进行数据移位和比较方差。
72.若θ
t
》θ，则判定此时太阳开始爆发，进入爆发预警程序。接下来，记此时y
t
为y3，开始实时监测y
t
并比较其与y3的大小关系，以此来判断是否爆发结束。若y
t
《y3，则判定此次爆发结束，进入爆发结束程序；否则判定爆发没有结束，继续比较y
t
与y2的大小。
73.爆发开始时发出的预警信号不限制具体的信号方式，例如可以以邮件的方式发出，本实施例中，远程预警功能依托smtp协议通过套接字发送smtp命令，接收并处理邮件服务器的反馈信息，从而实现对电子邮件的发送，通过远程预警功能，可以在得知爆发后检查观测系统的运行稳定性，并且可以更改系统参数，以获取更加精细的观测数据，利于后续的数据分析。
74.如图3所示，远程预警功能的实现流程如下：
75.1.系统接收到发送邮件指令后，首先创建套接字，并检测是否创建成功，如果创建成功，则进行下一步骤；否则，重新创建。
76.2.将套接字端口号与服务器进行端口绑定，并检测是否绑定成功，如果绑定成功，则进行下一步骤；否则，重新绑定。
77.3.客户端向服务器发送请求，等待服务器回应。
78.4.根据tcp协议，服务器接收base64编码后的发送方邮箱账号以及授权码与客户端进行连接，并读取接收方邮箱以及邮件内容
79.5.进行邮件发送并检测是否发送成功，如果发送成功，则进行下一步骤；否则，返回步骤3。
80.6.断开服务器连接，关闭套接字，远程预警结束。
81.系统利用数字信号形成的流量数据作为系统输入，通过数据流的自适应移位处理
确保pc机计算所需的n帧数据，同时通过保存跟随数据流自适应变化的阈值y、y1、y2和y3，用于数据流的实时判断，从而能够实时监测太阳射电数据，动态检测太阳是否爆发。
82.当系统检测到太阳爆发后系统进入太阳爆发状态处理程序，系统将单独存储爆发数据，实时发送预警信息邮件，记录爆发起始时间、结束时间及其峰值等相关信息。减少了人工筛选海量观测数据的工作量、有效提升了获取太阳爆发预警信息的效率、一定程度缓解了太阳射电观测系统海量数据存储的压力、提升了太阳爆发实时监测的智能化水平。
83.实施例三：
84.本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的太阳射电爆发实时监测预警方法中的步骤。
85.太阳射电爆发实时监测预警方法将获取到的太阳射电信号转化为数字信号形成跟随太阳射电信号帧数实时更新的流量数据，通过设定数量的宁静太阳射电状态下的均值大小确定太阳射电爆发的时间与峰值，并发出预警，同时在检测爆发期间单独保存自适应变化的阈值y、y1、y2、y3，从而实现实时检测。
86.实施例四：
87.本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的太阳射电爆发实时监测预警方法中的步骤。
88.太阳射电爆发实时监测预警方法将获取到的太阳射电信号转化为数字信号形成跟随太阳射电信号帧数实时更新的流量数据，通过设定数量的宁静太阳射电状态下的均值大小确定太阳射电爆发的时间与峰值，并发出预警，同时在检测爆发期间单独保存自适应变化的阈值y、y1、y2、y3，从而实现实时检测。
89.以上实施例二至四中涉及的各步骤或模块与实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
90.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。