[論文レビュー] The Minimum Bandwidth of Narrowband Spikes in Solar Flare Decimetric Radio Waves

Peter Messmer, A. O. Benz|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、マルチスケールウェーブレット解析と特徴検出アルゴリズムを用いて、太陽耀斑のデシメトリック電波放射における狭帯域スパイクの最小帯域幅を特定した。2つの太陽耀斑イベントにおいて、測定された全波幅半最大（FWHM）帯域幅はそれぞれ中心周波数の0.17%および0.41%であった。また、コルモゴロフ型のパワースペクトル勾配の兆候はなく、スパイクのピーク放射度と帯域幅との間に有意な相関は認められなかった。

ABSTRACT

The minimum and the mean bandwidth of individual narrowband spikes in two events in decimetric radio waves is determined by means of multi-resolution analysis. Spikes of a few tens of millisecond duration occur at decimetric/microwave wavelength in the particle acceleration phase of solar flares. A first method determines the dominant spike bandwidth scale based on their scalegram, the mean squared wavelet coefficient at each frequency scale. This allows to measure the scale bandwidth independently of heuristic spike selection criteria, e.g. manual selection. The major drawback is a low resolution in the bandwidth. To overcome this uncertainty, a feature detection algorithm and a criterion for spike shape in the time-frequency plane is applied to locate the spikes. In that case, the bandwidth is measured by fitting an assumed spike profile into the denoised data. The smallest FWHM bandwidth of spikes was found at 0.17 % and 0.41 % of the center frequency in the two events. Knowing the shortest relevant bandwidth of spikes, the slope of the Fourier power spectrum of this two events was determined and no resemblance to a Kolmogorov spectrum detected. Additionally the correlation between spike peak flux and bandwidth was examined.

研究の動機と目的

• 太陽耀斑のデシメトリック電波放射における狭帯域スパイクの最小観測可能帯域幅を特定すること。
• 主観的なスパイク選択手法の限界を克服するため、客観的でスケールに基づく解析手法を用いること。
• スパイク放射のフーリエパワースペクトルがコルモゴロフ型スペクトルに類似しているかどうかを評価すること。
• スパイクのピーク放射度と帯域幅との関係を調査すること。
• 時間周波数平面上での正確な帯域幅測定を実現するため、ノイズ除去およびプロファイルフィッティング手法を適用すること。

提案手法

• 連続ウェーブレット変換を用いたマルチスケール解析により、時間周波数表現のスケールグラムを生成した。
• スケール間の平均二乗ウェーブレット係数を用いて、主な帯域幅スケールを特定し、手動によるスパイク選択に依存するのを最小限に抑えた。
• 時間周波数平面上での形状基準に基づき、特徴検出アルゴリズムを用いてスパイクを同定した。
• 帯域幅推定の前に信号の忠実度を向上させるために、ウェーブレット変換済みデータのノイズ除去を実施した。
• ノイズ除去済みデータに仮定されたスパイクプロファイル（例：ガウス分布またはローレンツ分布）をフィットさせ、全波幅半最大（FWHM）帯域幅を測定した。
• スパイクデータからのフーリエパワースペクトル勾配を計算し、コルモゴロフスペクトルの予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽耀斑のデシメトリック電波放射における狭帯域スパイクの最小観測可能帯域幅は何か？
• RQ2 これらのスパイクのフーリエパワースペクトルは、コルモゴロフ型の-5/3乗のパワー則に類似しているか？
• RQ3 スパイクのピーク放射度と帯域幅との間に相関があるか？
• RQ4 手動によるスパイク選択なしに、客観的で自動化された検出および帯域幅測定が可能か？
• RQ5 解析手法の選択（スケールグラム対プロファイルフィッティング）が、帯域幅推定の正確性にどのように影響するか？

主な発見

• 1つの太陽耀斑イベントでは、スパイクの最小全波幅半最大（FWHM）帯域幅が中心周波数の0.17%であった。
• 2番目のイベントでは、観測された最小のFWHM帯域幅は中心周波数の0.41%であった。
• スパイク放射のフーリエパワースペクトルには、コルモゴロフスペクトルに類似する兆候は検出されなかった。
• スパイクのピーク放射度と帯域幅との間に、わずかまたは有意な相関は認められなかった。
• ウェーブレットに基づくスケールグラム手法は、主な帯域幅スケールを堅牢にかつ客観的に推定できたが、分解能に限界があった。
• 特徴検出およびプロファイルフィッティング手法により、ノイズ除去済みデータへのフィッティングが可能になり、手動選択による不確実性が低減された。