HROFFT Complex Solver: automatické vyhodnocení rádiových meteorů

Rádiové pozorování meteorů metodou dopředného rozptylu využívá ionizovanou stopu, která vzniká při průletu meteoroidu atmosférou. Tato stopa po krátkou dobu odráží elektromagnetické vlnění a umožní přijímači zachytit signál vzdáleného vysílače, který by za běžných podmínek zůstal skrytý za zakřivením Země. Rádiová stanice SMRST v2 vytváří každý den 144 desetiminutových radiogramů. V období zvýšené meteorické aktivity se v nich objevují stovky až tisíce struktur – skutečné meteory, odrazy od letadel, družice, vertikální impulzy, periodické rušení i složité překryvy několika ozvěn. HROFFT Complex Solver GUI 0.5.3 vznikl proto, aby z tohoto objemu dat automaticky vytvořil čistý a měřitelný katalog meteorů bez každodenní ruční kontroly každého snímku.

Od stanice SMRST v2 k problému velkých dat

Na Hvězdárně Valašské Meziříčí pracuje od listopadu 2025 stanice SMRST v2 , využívající jako zdroj signálu francouzský radar GRAVES na frekvenci přibližně 143,050 MHz. Signál přijímá směrová pětiprvková anténa Yagi a po digitalizaci přijímačem RTL-SDR je veden přes program HDSDR do programu HROFFT , který nepřetržitě ukládá radiogramy po desetiminutových intervalech.

Tato metoda má zásadní výhodu: funguje ve dne i v noci a není závislá na oblačnosti. Současně však produkuje data, která jsou vizuálně mnohem složitější než jednoduchý seznam detekcí. Krátká underdense ozvěna (slabý meteor, řídké plazma) může mít délku pouze jednu sekundu a zabírat několik pixelů. Overdense ozvěna (jasný bolid, nasycený rádiový odraz) jasného meteoru může trvat desítky sekund, měnit frekvenci a překrývat se s okolním šumem. Do stejného radiogramu se navíc zapisují odrazy od letadel, družic, lokální elektrické rušení a strukturální Dopplerovy profily . Právě odlišení těchto jevů se stalo hlavní překážkou dlouhodobého statistického zpracování dat.

Původní funkční schéma systému SMRST v2 počítalo pro automatické vyhodnocení s programem MEC ( Meteor Echo Counter ). Při praktickém provozu se však ukázalo, že potřebujeme podstatně pružnější nástroj: takový, který nebude pouze počítat jasná lokální maxima, ale bude umět rozpoznat složité meteorické struktury, rozdělit překrývající se úkazy, zachovat slabé meteory a současně držet velmi nízký podíl falešných detekcí.

Proč vznikl komplexní solver

Ruční kontrola radiogramů je možná při krátké testovací kampani, ale není dlouhodobě udržitelná. Jedna rádiová stanice vyprodukuje 52 560 desetiminutových snímků za rok. V aktivních obdobích můžou být na jediném snímku až desítky kandidátních struktur. Navíc nejde jen o rozhodnutí „ meteor – nemeteor „. Pro komplexní využití dat potřebujeme znát přesný začátek a konec ozvěny, její trvání, maximální intenzitu, součet intenzity a plochu. U složitých úkazů je nutné určit, zda jeden velký box představuje jeden meteor, několik meteorů, nebo složitou strukturu meteoru a rušení.

Cílem projektu proto nebylo vytvořit jeden univerzální klasifikátor , který jediným číslem rozhodne o všem. Takový přístup by byl křehký: model by se snadno naučil konkrétní typ rušení z jedné noci a v jiné situaci by ztrácel skutečné meteory. Místo toho vznikl hybridní systém. Strojové učení vytváří a předběžně hodnotí kandidáty, zatímco další moduly používají strukturální, topologická a fyzikálně interpretovatelná pravidla. Výsledkem je rozhodovací řetězec , ve kterém lze každé přijetí, zamítnutí, rozdělení nebo sloučení zpětně vysvětlit.

Od počátku vývoje solveru byly stanoveny tři praktické cíle:

- vysoká čistota finálního katalogu, tedy co nejmenší množství letadel, družic a rušení;

- zachování reálných meteorů včetně slabých, okrajových částí ozvěn meteorů a velmi jasných složitých ozvěn;

- plně automatický produkční výstup, který lze ihned použít pro statistiku aktivity, časové profily rojů a další fyzikální analýzy.

Jaký model solver používá

Základním klasifikačním modelem je ExtraTrees ( Extremely Randomized Trees ), tedy soubor mnoha náhodně vytvářených rozhodovacích stromů. Nejde o  obrazovou neuronovou síť , která by pracovala s radiogramem jako s fotografií. Každý kandidátní box je nejprve popsán soustavou měřitelných vlastností : délkou, výškou, plochou, kontinuitou, zaplněním, polohou těžiště, průběhem intenzity, sklonem a dalšími parametry. Jednotlivé rozhodovací stromy se na základě těchto veličin učí rozlišovat meteorické a nemeteorické struktury. Výsledná pravděpodobnost je kombinací hlasování celého souboru stromů.

Výhodou modelu ExtraTrees je rychlost, dobrá práce s nelineárními vztahy a možnost kombinovat velmi rozdílné znaky bez složité normalizace. Pro naše použití je důležité také to, že klasifikace nezůstává „černou skříňkou“: můžeme sledovat, jaké parametry kandidáta vedly k nízké nebo vysoké pravděpodobnosti, a navázat na ně dalšími fyzikálně motivovanými pravidly. Trénovací data vznikala ručním označováním meteorů, letadel, parazitních signálů, vertikálních pásů a dalších jevů. Model byl následně ověřován na nezávislých nocích, které nebyly použity při vývoji dané verze.

Samotný model však není celý solver . Jeho úkolem je vytvořit kvalitní návrh a pravděpodobnost. O správném počtu fyzických eventů, přesném měření a finální deduplikaci rozhodují další moduly.

Jednotlivé moduly solveru

Candidate Detector v03_7 – kde mohou být meteory

První modul prochází celý radiogram a hledá lokálně významné struktury v aktivní frekvenční oblasti. Výstupem nejsou pouze meteory, ale širší množina kandidátních boxů . Každý box dostane základní morfologické parametry a klasifikační pravděpodobnost. Kandidáti jsou rozděleni na kategorie : meteor, review a nonmeteor. Kategorie review (kontrola) je záměrně zachována, protože některé slabé nebo rušené ozvěny nelze bezpečně rozhodnout pouze podle lokálního vzhledu.

Zvláštní větev tvoří hraniční kandidáti . Běžná detekce lokálních maxim je přirozeně méně citlivá na obou okrajích snímku. Solver proto samostatně testuje fyzickou podporu úkazů na okrajích a může vytvořit kandidáta E001, E002 a podobně. Tím se podařilo zachránit meteory, které začínají těsně před hranicí desetiminutového intervalu nebo pokračují do dalšího snímku. Modul zároveň vytváří povinnou složku annotated_audit , ve které lze vizuálně zkontrolovat všechny původní kandidátní boxy .

Splitter v04a – rozdělení komplexního boxu

Jeden detekovaný box nemusí odpovídat jednomu fyzickému meteoru. Může obsahovat dva krátké úkazy za sebou, meteor s dozvukem, několik částečně překrytých ozvěn nebo meteor vložený do dlouhé struktury rušení. Splitter analyzuje časový průběh kandidáta a hledá místa, ve kterých se struktura přirozeně rozpadá na samostatné komponenty. Výsledkem jsou podřízené boxy označené například M003A, M003B a M003C.

Rozdělení je schválně navrženo jako návrh, nikoliv jako automaticky platný výsledek. Příliš agresivní splitter by mohl rozdělit jeden dlouhý overdense meteor na několik neexistujících úkazů. Proto na něj navazuje samostatný rozhodovací modul .

Split Decision v04b – kolik meteorů skutečně vidíme

Split Decision klasifikuje jednotlivé podřízené boxy a posuzuje jejich časové uspořádání, vzájemné odstupy a pravděpodobnosti. Může přijmout rozdělení, ponechat původní nadřízený box nebo vybrat pouze podřízené boxy . Ve verzi HROFFT Complex Solver GUI 0.5.3 byla topologie zobecněna tak, aby správně pracovala i se situacemi, kdy nadřazený box obsahuje více než dva skutečné meteory a část navržených komponent tvoří šum.

Tento krok je zásadní pro statistiku. Chybné sloučení dvou meteorů snižuje počet, zatímco falešné rozdělení jej zvyšuje. Solver proto používá precision gate (validační hradlo): do finální topologie vstupují pouze podřízené boxy , které mají dostatečnou pravděpodobnost a validní měření.

Event Measurement v01_2 – měření času, délky a intenzity

Po rozhodnutí o kandidátech následuje samostatná měřicí vrstva . Ta znovu analyzuje intenzitní strukturu uvnitř boxu a určí začátek a konec úkazu. Důležitou novinkou je rozlišení primary duration (hlavní doba trvání) a  group span (rozsah skupiny). Primary duration popisuje vlastní fyzickou ozvěnu meteoru, zatímco group span může zahrnout okolní rušení, více komponent nebo dlouhý dozvuk. Pro definici „jasného meteoru delšího než 10 sekund“ se používá právě primární délka , aby krátký meteor připojený k dlouhému Dopplerovu profilu nebyl chybně zařazen mezi dlouhé úkazy.

Modul dále měří maximální intenzitu, integrovanou intenzitu a celkovou plochu úkazu. Integrovaná intenzita představuje součet intenzitního přebytku všech pixelů náležejících meteorické ozvěně a je vhodnější fyzikální veličinou než samotný počet pixelů . Měření zároveň zaznamenává kvalitu a příznaky, například vertikální korekci, lokální postranní rušení nebo více časových komponent.

Canonical Assembler v04c – sestavení jednoznačného katalogu

Canonical Assembler je centrální rozhodovací modul celého solveru . Sestavuje společný katalog z původních kandidátů, podřízených boxů, hraničních detekcí a měření. Jeho úkolem není jen vybrat objekty s nejvyšší pravděpodobností. Musí rozhodnout, které boxy představují stejný fyzický úkaz, které se pouze překrývají a které je nutné zachovat samostatně.

Core-aware dedup (vícejádrově optimalizovaná deduplikace) porovnává časovou i prostorovou strukturu boxů. Potlačuje duplicity, ale chrání dva blízké skutečné meteory před chybným sloučením. U komplexních případů používá vazbu nadřízených-podřízených boxů a informaci o měřeném jádru úkazu. Strukturovaná review rescue (záchranná kontrola) vrací do katalogu vybrané jasné nebo fyzikálně přesvědčivé review kandidáty, aniž by se globálně snižoval práh pro celek. Samostatná ultra-strong bolide rescue (záchranný režim pro silné bolidy) větev chrání extrémně jasné a rozsáhlé bolidy, jejichž morfologie může být pro běžný model nezvyklá. Úzké thin-long interference veto (filtrace tenkých podélných interferencí) naopak odstraňuje specifické ploché a dlouhé struktury rušení.

Kontextové riziko letadel, fotovoltaického rušení a obecných Dopplerových profilů je pouze auditní. Testování ukázalo, že tyto třídy jsou lokálně velmi různorodé a další tvrdé veto by odstraňovalo i skutečné meteory.

Final export layer v0.5.3 – data připravená pro analýzu

Poslední vrstva převádí interní výsledky do stabilních produkčních souborů ve složce FINAL . Kompletní katalog HROFFT_final_events zachovává podrobné informace o původu každého úkazu, topologii, boxu, měření a rozhodovacích příznacích. Časy v tomto katalogu jsou označeny jako localtime , protože počítač stanice zapisuje do názvů radiogramů místní čas (SEČ, SELČ).

Pro běžnou analýzu vznikají dva redukované výstupy. HROFFT_10min_summary obsahuje jeden řádek pro každý desetiminutový interval, včetně intervalů bez meteorů. Uvádí skutečný UTC (koordinovaný světový) čas, MJD (modifikované Juliánské datum), solární délku , počet všech kandidátních úkazů , počet finálních meteorů , počet meteorů s primární délkou alespoň 10 sekund a  součet integrovaných intenzit . Doprovodný graf počtu meteorů proti MJD umožní na první pohled odhalit výpadky, neobvyklé špičky nebo chyby v časové posloupnosti.

Soubor HROFFT_final_meteors obsahuje jeden řádek pro každý přijatý meteor: zdrojový snímek, identifikaci, začátek v UTC, MJD, solární délku, délku trvání, maximální intenzitu, integrovanou intenzitu a plochu. Převod mezi SEČ (SELČ) se provádí podle historických pravidel časového pásma Europe/Prague .

Zvláštní pozornost vyžaduje podzimní změna času, kdy se místní hodina mezi 02:00 a 02:59 opakuje. Ze samotného názvu souboru nelze určit, zda jde ještě o letní, nebo už o zimní čas. Solver proto sám neurčuje žádnou z možných variant. UTC , MJD a  solární délka zůstanou prázdné a obě možné varianty se zapíší do HROFFT_time_ambiguities k ručnímu doplnění. Po opravě lze znovu spustit pouze generátor finálních exportů, bez opakování celého výpočtu.

Jak byl HROFFT Complex Solver GUI 0.5.3 ověřen

Solver byl vyvíjen postupně na mnoha nezávislých nocích s rozdílnou meteorickou aktivitou a různými druhy rušení. Každá strukturální změna byla zpětně testována na dříve vyhodnocených případech, aby oprava jedné chyby nevytvořila chybu jinou. Zvláštní regresní sady obsahovaly okrajové meteory, překrývající se boxy, několik meteorů v jednom nadřízeném boxu , silné bolidy, letadla i výrazné širokopásmové rušení.

Rozhodovací produkční soubor dat zahrnoval 1006 kompletně vizuálně auditovaných radiogramů . Ve finálním katalogu bylo 2296 úkazů , z nichž 2258 bylo správně přijatých a  38 představovalo potvrzené falešné detekce . Výsledná fyzická přesnost katalogu dosáhla 98,34 %. Potvrzena byla pouze jedna fyzická falešná negativní klasifikace, což odpovídá hard recall (striktní úplnost) 99,96 %. Při konzervativním započítání dvou nejednoznačných topologických skupin zůstává hard recall 99,87 %. V samostatném stresovém souboru 80 bolidových radiogramů dosáhl hard recall 100 %.

Zbývající falešné detekce tvořilo 17 letadel , 12 struktur širokopásmového rušení a  9 případů periodického nebo fotovoltaického rušení . Tyto chyby představují 1,66 % produkčního katalogu a nemají jednotnou lokální morfologii.

Praktickým výsledkem je automatická cesta od radiogramu až ke katalogu vhodnému pro analýzu činnosti meteorických rojů . Z desetiminutových snímků lze bez ručního přepisování vytvářet časové profily meteorické aktivity , oddělit dlouhé a krátké ozvěny, sledovat vývoj integrované intenzity a vztáhnout výsledky k  MJD a  solární délce . To je základ pro studium meteorických rojů, porovnávání jednotlivých maxim i dlouhodobou kontrolu sporadického pozadí.

HROFFT Complex Solver není náhradou fyzikální interpretace. Je nástrojem, který odstraňuje nejnáročnější rutinní část práce: hledání, měření a sjednocování tisíců jednotlivých struktur. Díky tomu se tak můžeme soustředit na vlastní otázky – kdy nastalo maximum roje , zda se liší aktivita slabých a jasných meteorů , jak stabilní je sporadické pozadí a jak se mění charakter rádiových ozvěn v čase .