基于深度卷积神经网络的频高图分类研究

本文提出了一种利用深度卷积神经网络的频高图分类方法,在频高图分类标记的基础上,通过对深度学习经典网络结构的网络层迁移的方式,构建频高图类型识别网络模型,实现基于传播模式分布的频高图自动分类.利用试验获取的大量频高图数据,依据频高图中电离层传播模式分布情况,结合频高图度量基本规则,人工对频高图数据分类标记,生成网络模型样本数据;然后以随机方式,选取样本数据85%的数据作为训练数据,其余数据作为测试数据;经验证训练后的网络模型能够将测试频高图数据自动分为七种类型,频高图类型识别综合准确率高于97%.该方法可为频高图特征参数的自动、精确提取提供重要技术和高质量数据支撑,对电离层结构信息有效获取具有重要意义.     

频高图F层异常分层现象的自动识别

频高图F层异常分层(增层)是指在常规电离层结构的基础上,由于电子密度被扰动而在频高图中出现多层回波结构,该F层异常分层(增层)现象在白天和晚上均可观测到.电离层异常分层(增层)主要由某种电动力学或者突发电离源导致电子密度出现扰动而形成,已经引起国内外学者的广泛关注和研究.目前从频高图中识别F层异常分层(增层)主要还是通过人工的方法,海量的频高图数据使该方法在研究F层异常分层(增层)统计特征时变得非常困难.有别于传统的图像分类算法中需要对图像特征进行提取,本文通过引入卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN),设计开发出一种能够自动识别存在F层异常分层(增层)频高图的方法,该方法可以直接输入频高图样本数据,省去了复杂的图像特征提取过程.本文设计的卷积神经网络经过训练以后F层异常分层(增层)识别率为85.82%,准确率90.36%.实验结果表明该卷积神经网络可以较好地自动识别出F层异常分层(增层)的频高图.     

图片式电离图F2层参数自动判读方法研究

国际交流中大量发布的电离图往往是图片格式的,因此对图片式电离图的参数判读可以更多地收集不同地区的电离层信息.本文主要结合图像处理技术,图像投影方法以及国际参考电离层(IRI),NeQuick2模型对图片式电离图的F2层参数的自动判读算法进行研究.利用武汉大学电离层实验室研制的电离层探测系统记录的电离图以及子午工程在武汉左岭的DPS-4垂测仪记录的电离图对该自动判读方法进行检验,并将自动判读结果与人工判读的参数进行比较,验证结果表明该自动判读方法有较高的可靠性,稳定性和普适性.     

电离层胶片频高图数字化转换分析

电离层垂直探测方法获得的频高图是电离层观测中历史最为悠久的资料,利用现代微电子和计算机技术对大量历史胶片频高图的数字化转换、分析和保存,已成为拯救保护和利用这些珍贵历史资料的十分紧迫和重要的工作.本文采用数字和图像处理等技术对胶片频高图像进行数字化、校正、修复和格式转换,并开发出胶片频高图分析与转换程序,结合常用的SAO Explorer软件对武汉地区的胶片频高图进行了实例的分析.结果表明,该方法具有较好的可靠性和通用性,对大量历史频高图的数字化转换和分析具有实用性.     

电离层频高图参数的实时自动度量与分析

电离层特征参数的实时获取和分析是电离层空间天气监测预报的重要内容.本文针对电离层频高图参数的实时自动度量和分析问题,提出了一种基于电子浓度高度剖面经验正交函数(Empirical Orthogonal Function, 简称EOF)分析的频高图参数自动度量方法,并将该方法应用到位于北京空间环境观测站(403°N,1162°E)的CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)数字测高仪观测频高图的实时自动度量和分析上.结果表明,该方法具有较好的可靠性和通用性,能实时自动度量频高图的有关参数并反映相关的电离层变化,可作为电离层空间天气实时监测分析的一种有效手段.     

南极中山站F-lacuna特征分析

F-lacuna是高纬极区电离层测高仪频高图上经常出现的一种F层回波描迹部分或全部消失的现象,直接影响电离层参数的标定,其表征的电离层物理过程尚未定论.利用南极中山站测高仪频高图数据,本文统计分析了F-lacuna在不同太阳风速度水平下的发生频率,主要对2012年2月15日一次F2-lacuna观测实例的粒子沉降及电离层特性进行了分析.观测特征表明,F2-lacuna发生期间,电离层电子总含量TEC明显减小,昭和站SuperDARN高频雷达观测到的中山站上空电离层Bragg后向散射增强,但对应来自磁层的电子和离子沉降并不明显.这可能是由磁层亚暴引起的极区电离层电流体系扰动,触发电离层F-B不稳定性,产生沿场向排列的小尺度不规则体,其热效应导致F2层密度减小,F2-lacuna出现.     

F_1层未充分发展时的电离层剖面反演

垂测电离图反演对研究电离层结构及运动、电离层波传播、空间气象应用等具有重要意义,一直以来受到十分广泛的重视.F_1层未充分发展的回波描迹是垂测电离图中观测到的最多的一种情况,此时垂测描迹上表现为F_1层到F_2层的平滑过渡,而不是F_1层充分发展时出现的尖点,然而现有电离层模型以及反演算法更多的是针对F_1层充分发展情况,即模型剖面在F_1层峰高处近似为抛物形状,此处电子浓度剖面梯度为无穷大,这不符合F_1层未充分发展时的剖面形态,即F_1层剖面未到达抛物顶点处就已经达到该层电子浓度的最大值然后到达F_2层,剖面梯度为一个有限的数值.因此,本文针对垂直探测中经常出现的F_1层未充分发展情况,引入F_1层模型设定临频这一参数,建立了F_1层未充分发展时的基于移位切比雪夫多项式的电离层模型,并从电离层剖面的光滑性考虑,在所建模型的基础上,提出了约束优化F_1层参数、F_2层参数的垂测电离图反演方法.然后,通过仿真分析,从理论上验证了所建电离层模型和反演算法的合理性,并通过反演电子浓度剖面合成的垂测、斜测描迹与实测数据的对比,对反演算法的有效性进行了进一步的试验验证.     

利用高分辨力多普勒频高图观测和分析电离层扰动

本文分下列四节:1.电离层扰动的研究简述,2.多普勒频高图的观测及处理,3.折射指数等值面法向速度的计算,4.实例分析和讨论。利用DGS-256数字式测高仪所获得的多普勒频高图,分析了电离层中大气声重波等的扰动情况,首次得出了速度的高度剖面,如图1-3所示;由三个反演公式的计算结果十分相近,表明实验与理论是一致的。     

电离层F1-F2谷区结构及其变化

本文给出一个从电离层频高图提取F₁-F₂谷区信息的剖面分析方法.利用该方法分析处理了武昌站的垂测记录,揭示了我国中低纬地区上空F₁-F₂谷区形态的某些变化规律和地区特色.对该类谷区的形成机制进行了初步探讨,认为在光化理论中若考虑基态与亚稳态两种氧离子的不同作用,可以说明该谷区的出现和基本变化趋势.     

太阳耀斑期间电离层效应的观测分析

一、一般情况 1989年7月31日到9月9目,在新乡、临潼和乌鲁木齐三点对VLF Omega信号相位变化进行了同时接收。与此同时,乌鲁木齐天文站的太阳色球观测和乌鲁木齐电离层垂测站的电离层探测也同时进行。在这期间,三个VLF信号观测点上同时有记录的太阳活动事件有36次。其中最大的发生在8月15日、16日和17日。特别是8月16日的太阳耀斑造成电离层垂测站的频高图近四个小时内没有回波。     

三维模式约束的电离层掩星反演方法

目前电离层掩星数据反演是基于电离层电子密度分布局部球对称近似的Abel反演方法,实际电离层的非球对称性会给电子密度反演结果带来误差.本文研究利用三维电离层模式来提供电子密度水平变化的先验信息约束电离层掩星反演的方法,即三维模式约束法;并将该方法应用于模拟掩星观测数据和实测掩星数据的反演.模拟观测数据的反演结果表明,与Abel反演方法相比,三维模式约束法能够减小反演误差.采用IRI2001模式作为约束,对COSMIC电离层掩星实测数据反演,将反演结果与全球的垂测仪数据进行比较,结果表明,三维模式约束法和Abel反演方法都能很好地反演电离层掩星.     

面波频散曲线提取方法对比分析

高频面波方法是以瑞雷波和勒夫波为研究对象,在水文、工程和环境研究中具有广泛的应用,其主要思想是利用面波的频散特性来反映浅层地质问题,提取高质量的频散曲线成了面波勘探中的一个重要步骤.本文通过对理论模型研究说明,利用τ-p变换与F-K变换两种方法均能有效地进行频散能量成像,其效果在高频范围差别不大,在低频范围F-K变换提取频散曲线更为精确;与瑞雷波记录相比,勒夫波记录信噪比较高,通过对同一地区采集的瑞雷波和勒夫波进行频散分析可知,瑞雷波记录频散能量成像效果差,频散能量出现间断、跳跃的现象,而勒夫波记录频散能量连续、集中,相速度分辨率较高,提取频散曲线简单清晰,可为反演地表横波精细速度结构提供更好的频散曲线数据.     

基于MF-J变换的DAS观测高阶面波提取和浅地表结构成像

分布式声波传感(DAS)技术可以将现有城市通信光缆转化为密集宽频带地震观测系统,利用城市通信光缆进行主/被动源面波成像为城市浅地表结构成像和地下空间探测提供了新手段,具有广阔的应用前景.近年来大量研究表明,充分利用高阶面波信息能显著提升面波结构成像效果.为探索DAS记录中的高阶面波提取和利用的可行性,本文推导了适用于DAS系统地震记录提取多模式面波频散曲线的 MF-J变换公式,并成功应用于白家疃光纤实验的主动源观测数据,提取了多模式频散曲线并反演构建了研究区高分辨、高精度的横波速度结构剖面.研究结果表明,MF-J方法能有效地从DAS主动源记录中提取多模态频散曲线,并能去除传统 F-J方法中的交叉假频现象;基于多模式面波频散曲线反演的速度结构分辨率和置信度都明显优于只用基阶模态的反演.本文的研究结果揭示了利用城市通信光缆实现低成本高分辨率地下结构探测的可能性.     

与地震相关的电离层三频信标CT诊断——实验及初步结果

已有研究表明地震发生前会出现电离层电子密度异常。三频信标探测通过对电离层进行快速扫描,反演得到电子密度的空间分布,能够更清晰地反映地震电离层异常特征,目前用于地震观测的三频信标观测刚刚开展。本研究介绍一种基于三频信标的电离层反演算法,采用120°E观测链的数据进行电离层层析成像,并与电离层垂测观测结果进行对比,研究观测链路上低纬和高纬电离层的时变特征。结果表明,本研究采用的电离层层析方法获得的F2层电子密度相对于初始输入的IRI模型更接近垂测观测,达到了一定的反演精度,可反映电离层的空间及时间变化特征。     

地震期间电离层扰动现象研究

介绍了大量的关于地震电离层扰动现象研究的最新进展,研究表明地震发生前的几天或者几个小时电离层扰动被观测到,电离层前兆是确实存在.但要将震前的电离层扰动作为地震短临预报的工具,还有许多值得我们去深入研究和解决的问题.应用空间技术开展大区域范围内电离层参数的实时观测,如用地震电磁卫星、GPS台网、并和地面电离层垂测仪观测相结合,建立“电离层地震前兆监测系统”,无疑会加速这项研究的进程.     

六分量地震观测在工程勘查中的应用试验

利用面波频散曲线反演地下介质的S波速度结构, 是浅层工程地震领域一种重要的方法技术.传统的面波法包括主被动源的面波多道分析方法(MASW)和被动源的空间自相关(SPAC)方法, 均需要多台地震仪同时记录地面振动; 而记录平动和旋转运动的单台站六分量地震数据理论上也可以获得面波频散曲线.本文以河北唐山城区煤矿采空区浅层工程勘探实际六分量地震数据为例, 对比了利用单台站六分量地震数据与主、被动源法多台站提取的Rayleigh波频散曲线.试验结果表明利用纵波扫描可控震源时, 30 Hz以下频段利用单台站六分量地震数据提取的基阶Rayleigh波频散曲线与主、被动源MASW方法提取的频散曲线结果一致, 说明在浅层工程地震勘查中, 利用单物理点的六分量地震观测反演浅层横波速度是可行的.

     

利用地基观测对卫星观测电离层结构参数的定量验证研究

本文采用散点图、趋势线、相关系数及观测偏差等统计方法,利用COSMIC卫星和SPIDR提供的垂测仪观测的F₂层峰值电子密度数据,开展了综合统计及按季节、地方时和纬度的分类统计.统计结果显示:地基垂测仪与卫星观测到的相应的F₂层峰值电子密度数据具有很高的相关性,两者之间的相关系数高达0.95,相对偏差的平均值为-3.38%,标准差为19.54%.基于上述研究结果,提出了利用地面垂测仪观测数据验证卫星观测的电离层结构参数的方法,并给出了定性的判别依据和定量的判别标准,可在我国电磁监测试验卫星发射后,为F₂层峰值电子密度观测数据的真实性和有效性提供检验方法和保障.      

中国区域电离层垂测仪探测参量与COSMIC掩星反演结果比较研究

利用漠河站、左岭站、富克站垂测仪数据和COSMIC反演的电离层资料,分析比较了太阳活动高年两种探测手段获取的电离层特征参量(NmF2、hmF2)的相关性.结果表明,两种方式获取的电离层对应特征参量相关性较高,且NmF2的相关性好于hmF2,同时相关性与纬度和季节有关.在地磁中纬度地区对应参量相关性较好,而在地磁低纬度受北驼峰控制区域相关性降低;在电离层赤道异常区域,春秋季、夏季对应特征参量相关性好于冬季.造成冬季相关性低的可能原因是,在跨越赤道中性风作用下,冬季电离层赤道异常区电子浓度梯度较大,造成掩星反演误差增大,致使两种探测手段获取的电离层特征参量相关性降低.     

用数字测高仪漂移测量研究电离层声重波扰动

数字测高仪Digisonde中的漂移测量,常用来研究小尺度电离层扰动,如电离层小不均匀体的漂移。文中提出一种新的分析方法,利用漂移测量数据中多普勒频移和到达角参量的最大熵动态功率谱,估算声重波一类大尺度电离层扰动的水平传播速度和传播方向。作为实例,研究了Millstone Hill测高仪站的漂移观测资料,并对处理结果进行了初步分析。分析结果表明,从数字测高仪漂移测量数据中,可有效地提取声重波一类大尺度电离层扰动的传播参量,在电离层动力过程的研究中很有意义。     

电离层声重波扰动的高频无线电诊断

为了充分发挥现代数字式电离层探测仪在电离层结构与优动研究中的潜力,必须在传统的频高图真高换算的基础上,发展新的反演理论和算法.本文介绍了随时空缓变的各向异性电离层介质中无线电波包传播的广义射线方程组,讨论了计算波包射线几何路径以及计算波包参数,如频移、波矢、群时延等沿射线路径变化的传播正问题,并详细讨论了根据波包参量的测定值反演介质结构和扰动伏态的传播反问题.文中若干实验实例表明,这种反演理论和算法可用于数字式电离层探测仪记录的分析,它使高频无线电波探测技术成为研究全球电离层声重波一类扰动的有力工具。