极光是地球高纬地区磁层的高能带电粒子和中性粒子发生碰撞后产生的大气发光现象,还是一种由太阳风、磁层和电离层相互耦合造成的物理过程。人们通过对极光形态及其演化过程的系统观测,发现不同形态的极光图像能够反映出不同的物理过程。弧状极光是日侧极光的一个重要形式,它的发生和分布与地磁活动和磁层中的脉动现象相关。基于此,本文系统地研究了弧状极光事件的检测及其物理发生机制。首先,针对已有的弧状极光检测方法处理整幅图像时包含未拍摄到极光的区域带来的冗余性,提出一种基于环形局部方向模式特征(RLDP)的弧状极光分类方法。该方法先将图像进行局部方向模式(LDP)编码得到LDP图像,将其划分成极坐标系中的多个环形区域,再对LDP图像按环形区域进行特征提取及自动调节谱聚类。实验结果表明,相较于其它弧状极光特征提取方法,用环形局部方向模式特征提取方法可以更准确地检测出弧状极光序列的发生和结束时刻。其次,针对弧状极光序列的检测问题,提出一种基于环扇形分块SRLDP的弧状极光序列检测方法。该方法先按照极光序列在时间域的前后关系,提取出极光序列最突出的方向值表示为序列局部方向模式(SLDP)图像;然后将其划分成极坐标系中的多个环扇形区域,再按环扇形区域进行特征提取及自动调节谱聚类,来检测弧状极光序列。实验结果表明,用此特征提取方法表示的极光序列特征,能够得到更好的检测效果。最后,针对弧状极光物理发生机制的研究问题,分别提出了基于梯度方向直方图(HOG)均值的弧状极光检测方法和基于扇形分块的弧状极光检测方法。前者通过提取极光图像的梯度方向直方图特征均值,调节阈值来检测弧状极光;后者通过将图像划分为扇形区域并求其亮度均值,用均值差进行弧状极光检测。利用已有DMSP卫星数据可以得出,极光发生时间段内的电子能量通量和电子平均能量的大小会随着极光形态的变化呈现出不同的变化趋势。用两种弧状极光检测方法检测得到每个时间段内弧状极光的发生,并分析了弧状极光发生与OMNI数据得到的行星际磁场三分量之间的关系。实验结果显示,发生弧状极光的时间区域有午前和午后双峰分布的特点。