The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) onboard NASA's Solar Dynamics Observatory (SDO) produces estimates of the photospheric magnetic field which are a critical input to many space weather modelling and forecasting systems. The magnetogram products produced by HMI and its analysis pipeline are the result of a per-pixel optimization that estimates solar atmospheric parameters and minimizes disagreement between a synthesized and observed Stokes vector. In this paper, we introduce a deep learning-based approach that can emulate the existing HMI pipeline results two orders of magnitude faster than the current pipeline algorithms. Our system is a U-Net trained on input Stokes vectors and their accompanying optimization-based VFISV inversions. We demonstrate that our system, once trained, can produce high-fidelity estimates of the magnetic field and kinematic and thermodynamic parameters while also producing meaningful confidence intervals. We additionally show that despite penalizing only per-pixel loss terms, our system is able to faithfully reproduce known systematic oscillations in full-disk statistics produced by the pipeline. This emulation system could serve as an initialization for the full Stokes inversion or as an ultra-fast proxy inversion. This work is part of the NASA Heliophysics DRIVE Science Center (SOLSTICE) at the University of Michigan, under grant NASA 80NSSC20K0600E, and has been open sourced.


翻译:美国航天局太阳动力观测台(SDO)上的太阳地震和磁力成像仪(HMI)对光球磁场进行了估算,这是许多空间气象建模和预报系统的重要投入。由HMI及其分析管道产生的磁图产品是每像素优化的结果,它估计太阳大气参数,并尽量减少合成和观测的斯托克斯矢量之间的分歧。在本文中,我们采用了一种深层次的学习方法,可以效仿现有的HMI管道,其数量比目前的管道算法快两级。我们的系统是经过U-Net培训的关于输入斯托克斯矢量及其伴随的基于优化的VFISV反射系统。我们证明,我们的系统一旦经过培训,能够产生对磁场、运动和热力参数的高度不真实性估计,同时产生有意义的信任间隔。我们还进一步表明,尽管仅对每像素损失条款进行处罚,但我们的系统能够忠实地在管道生成的全振荡数据中复制已知的系统振荡数据。这个系统是U-Net,这个系统可以作为美国航天局-Scial-Scial化中心的一个初步变换系统,作为美国航天系统的一个部分。

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