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.     

张衡一号感应磁力仪数据闪电哨声波自动识别

张衡一号卫星感应式磁力仪(Search Coil Magnetometer,SCM)探测到了大量的低频电磁波动数据.本文探索从中自动识别闪电哨声波(Lightning Whistler,LW)的算法,相关结果对进一步研究空间天气闪电事件的时空变化规律具有重要研究意义.首先,以20 s的时间窗提取SCM原始波形数据,再对其做短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)得到时频图;接着,以LW在时频图中呈现明显的L形态特征为依据创建LW时频图像数据集,该数据集包括316个LW时频图,8000个非闪电哨声波的时频图;再对时频图像进行灰度化处理和尺度缩放处理以降低计算维度,同时增强闪电哨声波特征;通过设计模糊卷积核,对图像进行卷积计算以滤除大量阶跃边缘信息的影响;基于LW的形态特征设计L形态卷积核,对图像进行卷积处理以进一步增强图像中的L形态特征.最后,将增强后的L特征图输入支持向量机(Support Vector Machines,SVM)进行分类识别.大量数据处理实验结果表明:本文提出的闪电哨声波自动识别方案有效,其识别效果在精度、召回率、F1值(F1 score)和接受者操作特性曲线面积(Area Under Curve,AUC)指标上均达到94％以上.     

基于智能语音技术的闪电哨声波自动识别

闪电哨声波是一种重要的电磁波动,了解其传播特征及传播过程有助于揭开圈层电磁耦合机理.从卫星观测资料识别闪电哨声波通常需要将原始电磁波形进行滤波处理再转化为时频图像,最后采用目视方法识别图像中的色散状形态,整个过程消耗大量人机时间和内存资源,不能满足张衡一号(ZH-1)卫星观测的海量电磁场数据处理的需求.针对该问题,鉴于...     

哨声谱与出口点的关系

一、引言 哨声波是一种在空间等离子体中传播的色散电磁波,一般以自然界中的闪电作为激励源。利用地面哨声资料可推算出赤道面内哨声路径顶点处的电子浓度N_(eq)和管电子含量N_T等电离层参数。要准确提取这些信息就需知道哨声传播的路径参数,即入口点和出口点位置。由于部分哨声透出电离层后,在地一电离层波导中传播了相当长的距离才被     

基于JUNO卫星WAVES仪器波动数据的木星磁层哨声波分析研究

等离子体波的空间分布在木星磁层高能电子动力学过程中起着重要的作用.现有大多数对木星磁层哨声波的观测仅限于|λ|≤15°的磁纬范围内,但是最新的JUNO卫星WAVES仪器提供的波动数据使得更高纬度、更广区域范围内的等离子体波动分布研究成为可能.本文通过对JUNO卫星WAVES仪器数据进行分析处理,详细研究了木星磁层哨声波的空间分布特性.观测表明,存在位于高LJ、高磁纬的木星磁层哨声波,它们广泛分布于距木星中心距离35～75个木星半径、磁纬为|λ|≤30°的空间区域.分析研究发现,WAVES仪器观测的木星磁层哨声波幅度一般为几个pT,远小于地球磁层哨声波的强度.木星磁层哨声波幅会随着LJ的增大缓慢增加,也会随着磁纬的减小趋向平缓变化.基于以上观测事实,本文利用指数幂函数分别拟合得到木星磁层哨声波幅随LJ和磁纬变化的经验模型.该模型将有助于精确理解哨声波对木星磁层高能电子动力学过程的重要影响.     

基于多输入卷积神经网络的天然地震和爆破事件识别

天然地震和爆破事件识别是地震监测预警的重要内容.近年来,快速发展的深度学习算法以其强大的数据特征挖掘和图像识别能力,能够较快并准确地约束地震事件属性.利用多输入卷积神经网络算法构建天然地震和爆破事件自动分类网络模型,其中输入信息包括多台站地震波形和单台站的地震时频数据,使得卷积神经网络同时获取事件的波形、频谱和极性特征...     

电离密度分布对中低纬非导管哨声波传播的影响

本文在偶极子地磁模型和各种电离密度分布模型中,对中低纬非导管哨声波的传播特性进行了射线追踪研究。结果表明,地磁场位形及其引起的磁层等离子体的各向异性是决定哨声射线几何特征及速度结构的主要因素,而电离密度仅在一定程度上改变上述特征;电离层是形成哨声射线聚焦的主要原因;赤道异常和电离层显著地影响哨声波的到达纬度;哨声群时延和色散值主要决定于电离密度;中低纬非导管哨声近似符合Eckersley定律;电离层是决定波法线角能否满足透射条件的主要因素。     

基于多尺度注意残差网络的地震波形分类研究

选用2010年2月—2016年12月发生在北京顺义及河北三河等首都圈邻近区域的117个地震事件(包括54个天然地震事件和63个非天然地震事件——爆炸事件)作为研究对象,利用文章所提出的多尺度注意残差网络对其中的天然地震事件和爆炸事件波形进行二分类。首先,对原始地震波形进行简单预处理并截取成相同长度的地震时序数据,直接将其作为网络模型的输入;其次,选用含有残差模块的深度神经网络作为基础网络,利用深度神经网络对特征的自动提取能力,省略了传统波形分类需要提前提取时域波形的特征作为分类算法输入的步骤;然后,融合通道注意力机制(ECA)并对其进行改进,将空间维度的信息融入通道信息,优化了网络对关键信息的关注,更好地聚焦重要特征;最后,使用空间金字塔池化代替最大池化进行多尺度特征融合,得到更多的特征信息,构成多尺度注意残差网络。实验结果表明,最高分类准确率为97.11%,平均分类准确率为96.53%,证明了多尺度注意残差网络在地震波形分类任务中的有效性,为震源类型识别工作提供了一种新的方法。     

赤道异常区内非导管哨声的射线跟踪

本文利用射线跟踪技术研究了电离层赤道异常区内地面哨声非导管传播的可能性。考察了负电离纬向梯度对非导管哨声传播的影响,并检验了哨声射线路径参数和群时延对频率的依赖关系。计算结果证明,夜间在赤道异常区内的电离层中,存在一些地面可检测哨声的非导管传播通道;沿位于通道内的射线路径传播的哨声波,透出电离层后,可同时激发电离层-地面波导的朝极和朝赤道方向传播;在磁纬10°附近,到达共轭电离层底部的射线有明显的“聚焦”效应。本文结果比较满意地解释了近年来在我国南部地区地面台网（磁纬19.4°N至5.5°N）同时观测到的一部分哨声的传播特征。     

基于波谱包络特征的地震事件检测

以声谱图像模式识别为基本思想,改进了基于地震波波谱包络分布特征的初至震相检测方法。改进后的算法,首先将波形记录特征转换为谱能量分布,以台站固有背景噪声的时频特征为基准,提取出记录信号的时频包络特征作为事件触发检测的目标函数。为降低主震尾波对检测后续余震的影响,采用非线性标度缩放因子对大于台站背景噪声水平的能量进行归一化处理。通过2组密集余震序列的实测结果表明:相对STA/LTA算法自动检测结果,新方法正确触发率提高约19.6%,漏触发率则降低了22.6%,表现出更强的抗干扰能力和触发效率,且运行速度快,能够满足地震实时处理系统的技术要求。     

测井多尺度分析方法用于准层序自动划分研究

多尺度分析方法实现了信号分析的时频局部化,是测井数据时频分析与地质解释恰当的数学工具.测井资料作为地层岩性、物性的反映,其中必然蕴含了大量与沉积地层旋回变化有关的信息.以胜坨油田某井为例,采用db4最佳小波基分别对自然伽马、自然电位和声波等测井曲线进行了多尺度分析,将一维测井数据拓展为二维深度-尺度空间,提取小波变换系数的时频色谱信息和能量信息,从而确定出测井曲线识别准层序界面的最佳尺度.依据最佳尺度下的小波系数幅度振荡特征和时频色谱信息实现了对准层序界面的自动划分,与传统方法所划分的界面基本一致.这些探索为层序地层的定量划分提供了一种新的思路.     

基于快速模拟退火算法的井中微地震事件定位反演

井中微地震监测技术被广泛应用于非常规油气储层压裂改造监测中,该技术的关键在于有效事件的准确定位.本文以实际测井资料为依据,建立水平层状模型,利用射线追踪模拟并获得微地震事件的传播路径及走时.在模拟退火法机理分析的基础上,引入非常快速算法(VFSA)进行微震事件定位反演,该算法依赖温度的柯西分布状态产生函数,在高温状态下可进行大范围的搜索,在低温状态下只对当前模型附近进行搜索,能够改进退火及抽样过程,提高模拟退火算法的定位效率与精度.最终,将该反演算法运用于实际井中水力压裂微地震事件定位,并描述其造缝空间产状及其发育过程.     

基于空间-光谱特征和稀疏表达的高光谱图像分类算法（英文）

针对传统的高光谱数据分类方法分类精度不高、没有充分地利用空间信息等缺陷,提出一种基于Gabor空间纹理特征（Gabor spatial texture features）及无参数加权光谱特征（Nonparametric weighted spectral features）和稀疏表达分类（Sparse representation classification）的高光谱图像分类算法,可以简写为Gabor-NW SF和SRC,即GNWSF-SRC。所提出的GNWSF-SRC分类方法首先通过融合高光谱的Gabor空间特征和无参数加权光谱特征来更好地描述高光谱图像,然后通过其进行稀疏表达,最终通过对比其重构误差获得分类结果。在训练集比例不同的情况下,用所提出的方法对两组典型的高光谱数据进行处理,理论研究和仿真结果表明：与传统的分类方法相比,所提出算法能够提高分类精度、Kappa系数等,取得了较好的分类效果。     

地震映像数据的时频分析方法及应用

本文研究地震映像数据的时频解释方法.采用短时傅立叶变换方法获得地震映像记录频谱的时间与空间分布,根据介质对地震波频谱影响的基本规律,通过分析已知地质断面地震映像记录频谱的时间与空间分布,研究了综合利用频率域和时间域信息进行地震映像数据解释的效果.时频分析方法提取了地震波的频谱中关于地层岩性、构造方面的信息,为地震映像数据的处理和解释提供了更多的参考信息.实例证明,利用时频分析解释地震映像数据,有助于了解覆盖层下岩性变化、薄层的分布范围、探测隐伏土洞、确定混凝土构件中缺陷位置,提高地震映像数据的解释精度和准确性.     

美国中东部地震台阵波场的三分量波形梯度

波形梯度法是一种全新的台阵数据处理技术,该方法利用子台阵中的波形差异可以得到一些基本的地震波传播参数.本文首次将其应用于美国中东部地震台阵面波的三分量研究当中.首先通过垂向分量的面波进行波形梯度分析,得到垂直分量面波的相速度、传播方向、几何扩散和辐射花样.再通过垂向分量得到的传播方向进行坐标旋转,从而得到了径向分量以及切向分量的面波,再将其应用于波形梯度分析,分别得到径向分量以及切向分量面波的相速度、传播方向、几何扩散和辐射花样.利用2012年8月27日发生在中美洲西海岸地震事件的三分量地震数据的面波波形得到的结果显示,在相同周期,研究区域的三个分量面波的相速度分布横向差异显著.切向分量面波的相速度分布特征差异较大,可能是由于径向各向异性造成的.三个分量的传播方向变化都不大,且切向分量的传播方向变化大于垂直分量与径向分量,说明地震波的切线分量在传播过程中受到的影响更大,同时还可以看出传播方向的变化呈现出条带状的特征.几何扩散和辐射花样都是与地震波的振幅项有关的信息,三个分量的几何扩散特征基本一致.但是由于切向分量传播方向变化相对较大,可能导致了切向分量面波的辐射花样有所差异.     

TV-L~1分解模型下的地震图像增强方法研究

地震图像增强是指按特定的需要采用特定方法突出图像中的某些信息,同时削弱或去除无关信息,或将原图转换成一种更适合人或机器处理的形式的图像处理方法,其设计与其应用的目的密切相关,其宗旨是在不增加数据的内在信息含量的基础上,增加所选择特征的动态范围,以使其容易被检测到.本文提出一种针对地震纹理的地震图像增强方法.首先根据地震数据TV-L~1分解模型,把地震图像信息分解为结构与纹理分量,其中结构分量为几何形状较为明确的平滑区域,通常为低频信号部分;纹理分量则由地震纹理信号和噪声所组成,分别对应高频信号以及随机噪声.最后结合基于偏微分方程的图像质量改善算法分别对结构和纹理分量进行加强,其结果提高了地震图像的空间分辨率.     

小波包单子带重构提取GPS序列特征信息

GPS观测环境愈来愈复杂,动态观测值包含的影响因素较多,函数关系复杂,影响特征信息的提取和参数模型的解释能力.小波包具有良好的时频分析能力,利用小波包理论对GPS数据序列进行分解与重构过程中有三个基本运算：与小波滤波器卷积、隔点采样、隔点插零,该三项运算产生频率交错和频率折叠等频率混淆现象.为消除频率混淆现象,分解与重构时,每作一次信号与小波卷积后,将其结果作一次快速傅立叶变换,频谱中多余的频率成分的谱值置零,再对置零后的频谱进行傅立叶逆变换,然后继续进行小波包的分解与重构,从而实现单子带重构提取GPS数据序列特征项.通过实例验证了小波包单子带重构提取GPS特征信息的有效性.     

S变换的时频分析特性及其改进

地震信号具有非线性、非平稳的特性,用时频分析的方法处理地震信号,可以最大限度的保留原始信息,也可以较为精确地分析数据的时间、频率特征.现阶段应用于地震数据处理的时频分析方法主要有:短时傅里叶变换,小波变换和匹配追踪算法等等.S变换是近几年发展起来的一种新的时频分析方法.S变换结合了短时傅里叶变换和小波变换的优点,具有相...     

基于单能窄束伽马射线算法计算高分辨率屏蔽自然伽马探测器的三维测井响应

本文应用单能窄束伽马射线理论建立高分辨率屏蔽自然伽马探测器三维测井响应的数值模拟算法.首先利用单能窄束原理,用稳态扩散方程描述伽马光子密度的空间分布,根据扩散方程基本解、放射源空间分布、探测器位置和屏蔽情况,将屏蔽探测器上的总伽马通量表示成放射性地层中的有效探测区域上的体积分和晶体表面上有效接收面的面积分形式.并根据伽马射线传播路径和探测器屏蔽情况,给出有效探测区域的解析表达式,通过数值积分法计算任意复杂情况下探测器上的自然伽马通量,获得伽马测井响应的3D数值模拟算法.并通过数值模拟结果与模型井数据的对比验证了该算法的有效性.最后通过3D数值模拟算法系统研究考察晶体形状（圆柱形晶体、方形晶体）、晶体长度、仪器在井轴中的位置（居中屏蔽探测器、贴井壁屏蔽探测器）、以及测速等不同情况下自然伽马测井响应,设计出新型高分辨率自然伽马测井仪器.     

日冕物质抛射传播过程模拟研究

日冕物质抛射(coronal mass ejection,CME)是一种由太阳的剧烈活动所引发的空间天气现象,如何针对特定的CME/太阳风暴事件了解其日冕/行星际传播及演化过程,预报是否以及何时到达地球轨道,预测近地空间太阳风状态相应的变化,是空间天气科学界一直关注的重要课题之一.CME通常携带巨大的能量,当其到达地球...