地震电磁卫星辅助数据处理及原型系统设计

地震电磁卫星的辅助数据处理是卫星数据处理分系统的一部分,它为卫星科学目标的实现提供重要的辅助信息.本文在参考法国地震电磁卫星DEMETER和探测双星的辅助数据等基础上,对我国地震电磁卫星的辅助数据进行了定义和分类;介绍了原型系统采用的JNI技术及软件架构设计;根据每类辅助数据的内容和特点,给出了各种辅助数据的处理流程,并对其处理方法分别进行了分析;最后对卫星辅助数据处理及原型系统设计进行了总结.本文所述内容和方法是我国地震电磁卫星数据处理的一个前期准备工作,将服务于利用地震电磁卫星进行地震预报.     

电磁卫星和地震预测

地震前几周、几天、几小时甚至几分钟,电磁场的强度、相位或者谱密度等将发生异常变化,电离层的电子、离子浓度和温度等会发生异常扰动,这些现象的出现向人们发出地震即将来临的信号.这些现象不仅在地面可观测到,在卫星上也能观测到,它们在确定异常现象发生的地点和时间等方面具有各自的优势,把两种观测相结合,对异常信号进行立体监测,是实现地震预测预报的发展趋势.至今,对地面观测已经进行了大量的研究和实践,利用卫星进行观测近几年刚刚开始,但已经显示了它监测地震异常的独特能力,引起各方面的高度重视,成为各国建立立体预警系统不可缺少的组成部分.本文重点介绍利用卫星等观测空间电磁异常现象的研究结果.     

地震电磁卫星观测物理量简介

地震引发电离层扰动反映在某些特定的物理量上已经得到人们的共识,但其中哪些量反映的特征最明显,最有利于提取地震电离层异常仍然不明确,需要进一步的深入研究。本文介绍了法国的DEMETER、乌克兰的SICH-1M、意大利的ESPER IA及俄罗斯的COMPASS-2等几个主要地震电磁卫星的观测物理量,以资参考。     

我国地震电磁监测卫星总体技术研究

地震孕育和发生过程会引起震中附近上空的电离层异常,通过空间观测手段对由地震引起的空间电磁异常现象进行观测有着地面观测手段难以企及的优势.本文对我国地震电磁监测试验卫星科学任务进行了分析,在此基础上,给出了卫星的总体方案设计,并对卫星的工作模式、轨道和卫星构型进行了详细的论证、设计与分析,提出了满足地震电磁观测要求的卫星总体技术方案.     

电磁卫星地震应用进展及未来发展思考

法国DEMETER(Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions)卫星是世界上第一颗专门针对地震电离层扰动监测的电磁卫星,于2004年发射, 2010年底结束运行,共在轨飞行6.5年,获得3万多条整轨数据,为地震监测及电离层物理研究提供了坚实的数据基础。全球科学家利用这颗卫星的数据开展了大量的地震应用研究,发表文章上百篇,将电磁卫星的地震应用研究推向了新的阶段。中国第一颗电磁监测试验卫星CSES(China Seismo-Electromagnetic Satellite)于2018年2月2日成功发射,目前已完成在轨测试并交付使用,科学数据也已正式对外发布。如何充分发挥CSES卫星的应用效能,将空间电磁监测向业务化运行转化,总结和思考DEMETER卫星的技术进步、研究成果及曾经出现过的问题,十分重要。因此,本文着重介绍DEMETER卫星在地震监测应用领域的代表性研究进展,并结合CSES卫星的设计和运转实践,对未来空间地震电磁探测及科学研究的发展方向进行一些初步讨论。     

我国地震电磁卫星数据分析及应用研究进展

本文介绍了地震电磁卫星数据分析在中国地震电磁学方面的研究进展情况,其中包括卫星数据分析的整体思路的确定,以及具体在电离层正常背景分析,干扰因素影响,数据分析方法和震例研究结果.目前的应用研究表明,电离层各观测参量具有不同的季节性及区域性复杂的正常变化背景,对提取地震异常增加了很多困难.而震例研究反映震前确实存在一定程度的电离层异常,空间电磁异常信息具有短临性和区域性特征,但异常的重复性、空间分布的相似性检验及背景场理论模拟等方法还需要在今后的工作逐步加强.     

地震电磁前兆的观测

地震的电磁前兆现象越来越受到人们的关注,地震电磁观测技术也在不断地得到发展和改进,已经由被动的观测发展到主动的观测,由地面局部的观测扩展到空间卫星全球范围的观测。文中介绍当前国内外在地震电磁观测方面的研究进展和实例,展望了我国未来地震电磁观测技术的发展。     

空间电磁卫星的粒子探测与汶川地震

通过电磁卫星研究地震与空间电离层和磁层的电磁场等参数的变化关系作为地面地震预报研究的补充,是近年来研究地震规律和预报方式的一个新的研究方向,研究空间带电粒子的相关特性是其中的一个重要内容.分析了法国DEMETER电磁卫星上的高能电子探测器在2008年间的探测数据,特别是在我国汶川地震前后的数据,研究了内辐射带高能电子在东西经度方向漂移的情况;地震前后汶川上空及不同经纬区域范围内空间电子能谱的变化;以及汶川地区的余震与空间电子通量在短时标上的关联.发现在90~600 keV能区, 90°E~110°E, 47°N~49°N的汶川北部区域,地震当天与地震前后几天的能谱有明显差别;在VLF发射站引起的电子沉降带上的能谱在地震前有显著低能段涨高.     

地震电磁卫星载荷及现状

系统介绍了法国DEMETER电磁卫星搭载的电场测量仪、磁场测量仪、离子分析仪和高能粒子探测仪的科学目的、简单的工作原理、观测模式以及观测的物理量.同时介绍了国际现有运行的地震电磁卫星搭载的观测仪器,对空间－地面电磁观测系统进行了简要的讨论.这些资料将为我国地震电磁卫星计划的实施提供参考.     

地震报告的数据处理

由于实际工作的迫切需要,我们在VAX/780机上建立了一整套比较完善适用的地震数据处理系统。用这套系统我们在1987年一年里完成了1983、1984两年的“中国地震台网观测报告”和“中国地震年报”共四卷(简称“年报”)。处理“年报”部分的程序主要包括:①原始数据的查错程序;②地震事件的检索组合程序;③震源位置的修定程序;④输出打印程序;⑤震源参数的质量控制和检查程序。这套程序使用广义逆反演方法进行震源位置的重新修定,同时进行了地震震级的重新计算,其修定结果稳定,解决了我国震级系统(Ms)与国际上测定的震级有系统差的问题。从1987年5月开始,用此系统处理“中国地震台临时报告”月刊(简称“月报”)。至今顺利出版了19期(每月一期)。处理“月报”部分的主要程序包括:①5码地震电报的数据转换及查错程序;②国际地震电报转换及查错程序;③寻找初始震中程序;④检索组合程序;⑤修定程序;⑥输出打印程序;⑦形成与ISC交换的数据格式程序。     

星载电场数据处理方法研究

给出一种新的非线性、非平稳信号的处理方法——HHT方法,并把该方法首次应用于星载电场数据处理中.以2004年9月15日菲律宾6.0级地震前两天(13日)DEMETER卫星经过震中区域上空所记录到的数据为例,对ULF频段的电场数据进行了处理,得到了相应的HHT时频图谱.另外,还利用DEMETER卫星中心网站提供的SWAN软件计算得到了相应的小波变换时频图谱,通过比较发现,虽然两种方法对异常信号出现的位置时刻的描述有相同的能力,但HHT方法在异常信号的细节描述上更为清晰,从而为今后进一步的研究工作奠定了基础.     

地球物理探测卫星数据分析处理技术与地震预测应用研究项目及研究进展

地震监测预警和预测预报是当前地球科学及相关学科所面临的最艰巨的问题之一,是关系到人类社会安全与国计民生的亟待攻克的科学难题.为进一步提高地震预测科学研究水平,推进地震监测预测能力建设,我国于世纪之交提出了建立地震立体观测体系的战略发展思路,并希望突破三维地球物理场获取能力瓶颈,发展地球多圈层耦合模型,通过卫星观测获取全...     

基于大数据技术的地震数据处理新思路

现代地震观测积累了大量、种类繁多的地震前兆数据和震后数据,但数据中隐含的地震规律及趋势无法用经典的算例、数学公式、物理公式进行定量解释、分析和预测,需要探索新方法、新技术。案例表明,大数据分析具有预测事物发展趋势、改变传统观念和发现新事物的功能,有助于从错误信息中挖掘有价值信息。本文由此提出基于大数据技术处理地震数据的新思路,对地震监测预报新思路进行探索;通过在大数据平台上基于地震目录的余震预测研究,给出大数据技术在地震数据处理方面的一个应用实例,验证该思路的可行性。     

基于电磁卫星的闪电哨声波智能检测算法的研究进展

闪电哨声波作为探索空间物理环境的重要媒介,淹没在海量的电磁卫星数据中.近年来随着计算机视觉和深度学习等人工智能技术的发展,从电磁卫星的存档数据中自动检测闪电哨声波的算法取得了一定的效果.本文对近年来闪电哨声波智能检测算法的文献进行了整理和总结.首先,阐述闪电哨声波在电磁卫星数据中呈现的时频特征和类型;然后,介绍了闪电哨声波智能检测算法的流程并从闪电哨声波的特征提取、分类和定位三个方面对主要的智能检测算法进行归纳、总结和评述;其次,简述了闪电哨声波智能检测模型的评价指标;接着,在张衡一号（ZH-1）卫星的磁场数据上对三种典型的闪电哨声波智能检测算法进行复现,并对三种算法的优缺点进行了较深入的分析;最后,对基于电磁卫星的闪电哨声波智能检测的研究领域进行总结和展望.

     

Statistical analysis of the ion density measured by the satellite DEMETER in relation with the seismic activity

This paper is related to study of the ion density recorded by the low altitude satellite DEMETER. It will present ionospheric perturbations observed during large seismic events. As the ionosphere is highly variable, the paper will show a statistical analysis performed on the plasma parameters during night time. An algorithm has been implemented to detect crests and troughs in the data before world-wide earthquakes. The earthquakes have been classified depending on their magnitude, depth, and location (land, below the sea, close to a coast). Due to the orbit, DEMETER returns above the same area every day (once during day time, once during night time) but not at the same distance of a given epicenter. Then, for each earthquake, data have been checked until 15 days before the shock when the distance between the trace of the orbit and the epicenter is less than 1 500 km. The results of the statistical analysis are presented as functions of various parameters. A comparison is done with two other databases where, on one hand, the location of the epicenters has been randomly modified, and on the other hand, the longitude of the epicenters has been shifted. Results show that the number and the intensity of the ionospheric perturbations are larger prior to earthquakes than prior to random events, and that the perturbations increase with the magnitude.     

DEMETER卫星监测的极低频和超低频电磁场数据分析

分析了DEMETER卫星上测量的极低频(ELF, 3—30 Hz)和超低频(SLF, 30—300 Hz)水平磁场. 其统计变化规律与地面上实测的此频段大气噪声变化规律一致, 并且数值差异也符合电波传播规律, 说明卫星上监测的电磁场来源于地面. 同时对DEMETER卫星上测量的ELF和SLF归一化波阻抗进行了深入地分析, 由电子密度与离子密度计算出的归一化波阻抗与由实测电磁场计算出的归一化波阻抗均有差异. 现有观测资料并不完全“自洽”, 尚有问题需深入研究.     

在微机上实现数字地震波形的预处理

数字地震资料的预处理是每个使用数字地震资料的学者所必然要遇到的基本问题。为避免波形处理中烦琐的手工劳动，最大限度地利用微机来完成绝大部分操作，实现波形处理的程序化，是国内外地震软件学者所追求的共同目标。本文在这方面作了探索，所开发的软件确实使数字地震波形预处理变得很轻松。     

上海地震台阵数据处理及其在地震研究中的进展

本文简单介绍了地震台阵的概念、意义、上海地震台阵的布局和波数响应图以及信噪比分析,重点阐述了上海地震台阵的数据处理方法及应用,同时总结了上海地震台阵两年运行期间,在地震学研究上取得的主要成果及其未来研究趋势．     

时频方向谱分析在海洋电磁数据处理中的应用

海底采集到的电磁数据按照其主要包含的信息及研究目的大致可分为海洋可控源电磁场(CSEM)信号、天然场源大地电磁场(MT)信号、海洋环境电磁场信号以及其他随机干扰信号.常常通过计算功率谱密度、时频分析和极化分析的方法研究海洋电磁场特征.本文介绍一种新方法——时频方向谱分析法及其在实测海洋电磁数据处理中的应用,该方法能够在一定的时间-频率尺度上有效分辨场源信号的运动方向.对于海洋CSEM数据,利用该方法可以估算发射源的运动方向,进而在发射源或采集站方位信息缺失情况下,实现海洋CSEM数据的旋转电性轴处理.对于海洋电磁数据,利用该方法可以详细分析海水运动感应电磁场的信号特征.     

多通道瞬变电磁法资料处理方法技术综述

多通道瞬变电磁法是近年来国际发展的油气资源探测新方法,为了实现这种方法由油气资源领域向矿产资源勘查领域的拓展,中国科学院地质与地球物理研究所牵头对其装备与数据处理解释系统开展技术攻关.针对上述自主研发的多通道瞬变电磁装置,基于其数据采集、数据处理与解释等技术要求,本文对与之匹配开发的多通道瞬变电法磁数据处理解释系统(包含预处理、大地响应正演模拟、二维和三维数据偏移成像等模块)的性能进行分析,结果表明:经过对多通道瞬变电磁法数据处理方法的技术攻关,形成了包含数据处理、正演模拟、二三维偏移成像、解释与可视化等模块的多通道瞬变电磁数据处理解释系统,为多通道大功率电法勘探系统的应用提供了良好的支撑作用.