北工大太阳黑子活动周期.docx

信号处理与Matlab太阳黑子活动周期的分析专业: 通信工程姓名：高培元学号：12024215指导老师：孙中华、张延华完成时间：2014/12/20摘要：太阳黑子是人类在研究太阳活动中最常见、最重要的现象。太阳黑子的爆发也直接影响到人们的生活方面。根据数字信号处理对数据处理的方法，采MATLAB对太阳黑子数进行处理得出太阳黑子周期约为11年。结果表明该方法对太阳黑子周期研究是直观且有意义的。关键字：太阳黑子数；活动周期；Matlab。一 、引言： 太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的。一般认为，太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，温度大约为3000-4500。因为其温度比太阳的光球层表面温度要低1000到2000摄氏度，所以看上去像一些深暗色的斑点。太阳黑子虽然颜色较深，但是在观测情况下，与太阳耀斑同样清晰显眼。 太阳黑子很少单独活动，通常是成群出现。黑子的活动周期约为11年,天文学家把太阳黑子最多的年份称为太阳活动峰年，太阳黑子最少的年份称为太阳活动谷年。其活跃时会对地球的磁场产生影响，主要是使地球南北极和赤道的大气环流作经向流动，从而造成恶劣天气，使气候转冷。严重时会对各类电子产品和电器造成损害。 现今世界公认的最早的太阳黑子记录，是载于汉书五行志中的公元前28年三月出现的太阳黑子：“河平元年三月己未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”而后在1840年代德国的一位业余天文学家发现了太阳黑子10-11年的周期变化规律。通过长期的观测，人们还发现太阳黑子在日面上的活动随时间变化的纬度分布也有规律性。二 、实验方法在该实验中，对Wolfer数序列做FFT变换后得到Y（长度为n），只取其前个数据的功率谱密度的估计值。原因是时域为离散的实序列的傅立叶变换对应于具有周期性且偶对称的频域特性，因此Y的前个数据已经包含了Wolfer数的全部信息。根据DFT的频域单位与DTFT的频域单位的表达关系式以及与f对应关系，可以看出与f呈线性关系；同样地，因为Y的前个数据已经包含了Wolfer数的全部信息，只取前个数据分析功率-频率图时，对应的横坐标时应取。三 、流程图四 、MATLAB实验内容，结果，分析(1) 读取数据并绘制Wolfer图，观察太阳黑子的活动现象。1、程序如下：sunspot=xlsread(C:UsersAdministratorDesktop1月数据.xls);%读取数据year=sunspot(:,1); %读取年份信息wolfer=sunspot(:,3); %读取黑子活动数据figure%新建图像plot(year,wolfer) %画出时域图xlabel(年份); ylabel( 黑子个数 ); title(时域图) %标注横纵坐标和标题pause 截图：数据采用的是比利时皇家天文台中自1750至今的一月份的黑子平均数。2、为使结果更加清晰，画出部分时间段(如实验中采取1800-1850年)的Wolfer 图进行观察。程序如下：Figureplot(year(51:101),wolfer(51:101),b.-); %用1800-1850年数据做图xlabel(年份);ylabel( 黑子个数 ); title(1800-1850年) %标注横纵坐标和标题。截图：(2) 对已经得到的Wolfer数应用FFT变换分析它的变化规律。在复平面上绘制出傅立叶系数的分布图。程序如下：G = fft(wolfer); %对全部数据做FFTG(1)=; %由于算法问题，Y(1)为所有fft数值之和，因此需舍弃第一点pause%观察Wolfer数在FFT分析后得到的在复平面中的分布图。程序如下figureplot(G,ro) %在复平面做图，空心点title(FFT 复平面图);xlabel(实轴); %标注横坐标为实部ylabel(虚轴); %标注纵坐标为虚部pause截图：由图可见，黑子频率沿虚轴严格对称，具有周期性。(3) 功率与频率的关系曲线则被定义为周期图。用周期图法对 Wolfer 数进行功率谱密度分析。程序如下：figuren=length(G);%取FFT结果长度为npower = abs(G(1:n/2).2; %取前n/2个数据求其功率nyquist = 1/2; %取最大频率为0.5freq = (1:n/2)/(n/2)*nyquist; %将FFT转换为DTFTplot(freq,power) %画周期图xlabel(周期/年份);title(周期图)pause截图：为使结果更加清晰，取与1800-1850年相对应的功率和频率的分量（51-101）作它的周期图。程序如下：figureplot(freq(51:101),power(51:101) %为观察方便，取1800-1850年数据做图xlabel(周期/年份)pause截图：(4) 确定出太阳黑子的活动周期。为使结果更加清晰，画出功率与周期（频率的倒数）的关系曲线图。程序如下：figureperiod=1./freq; %将横坐标单位转换为年/周期plot(period,power);%画周期图axis(0 50 0 2e+7);ylabel(Power);xlabel(Period (年/周期);%单位为年/周期pause截图：(5) 在功率与周期关系曲线图中标出功率的最高点，该位置对应的周期则为太阳黑子活动周期。程序如下：hold on;index=find(power=max(power);%找到频率最大点，该点横坐标即为太阳黑子周期mainPeriodStr=num2str(period(index);plot(period(index),power(index),r., MarkerSize,25);%用实心点指出该点text(period(index)+2,power(index),Period = ,mainPeriodStr);%文字标注该点hold off;截图：（5）实验结果分析：实验得出的太阳黑子的活动周期为11年,与沃尔夫得出的11年的周期规律一致，说明实验结果正确。四 、心得与感受得到这的结果是比较幸运的，我之前还用过2种黑子的数据。一个是MATLAB自带的数据（load sunspot.dat），虽然这个出来的周期很接近11，但这就失去了作业中要求的第一步（下载数据），我觉得不妥，就没有用。另一个是天文台的1700年至今的5月份数据。但是周期结果为10.433，与11还有些差距。于是我使用了1750年至今的月份数据，由于数据过多，图像不是很简洁明了。