基于张衡一号卫星波动观测的人工甚低频台站信号特征统计分析

地基人工甚低频(10~30 kHz)台站信号可以穿透电离层, 甚至泄露进地球磁层, 从而导致内辐射带高能电子的沉降.研究人工甚低频台站信号的特征对于研究辐射带电子的损失具有重要的科学意义.基于张衡一号卫星2019—2022年的电场观测数据, 本文对全球10个人工甚低频台站在电离层中的信号特征进行了研究, 统计分析了电离层中人工甚低频台站信号的昼夜差异、季变规律、对地磁活动水平的依赖性, 及其在地磁共轭区的分布特征.结果表明, 人工甚低频台站信号会传播至台站上空电离层及其共轭区, 信号辐射范围及强度与台站的发射功率呈正相关.电离层电子密度对甚低频信号的传播具有重要影响, 在夜侧和当地冬季, 电离层电子密度相对较小时, 泄露进入内磁层的人工甚低频台站信号较强, 而信号强度受地磁活动影响很弱.在台站上空, 信号增强区域以穿刺点为中心呈现近圆形分布, 并存在明显的波模干涉效应, 在共轭半球, 信号增强区域中心相对共轭穿刺点会发生极向漂移(L＜2的台站)或赤道向漂移(L＞2的台站), 但所有台站的电波能量都被限制在1/2赤道电子回旋频率磁壳以内的区域.这些统计观测特征表明, 发射台站位于较低L值(L＜1.4)的人工甚低频台站信号在内磁层中主要以非导管模式传播到共轭半球, 而发射台站位于较高L值(L＞2.6)的人工甚低频台站信号主要以导管模式传播.

     

NOAA系列卫星高能粒子数据一致性统计分析

顶部电离层是低轨道卫星的运行空间,是能量粒子沉降的重要区域,认识这个空间的能量粒子分布特征对研究各种空间天气事件、地震、火山以及其他人类活动引起的扰动具有重要的现实意义.本文利用位于顶部电离层的5颗NOAA系列卫星数据,统计研究了100~300 keV的电子和80~2500 keV的质子的全球分布特征.研究发现：高能电子和质子主要分布在两极辐射带和南大西洋异常区,两极辐射带观测到的高能电子通量比南大西洋异常区高几倍到一个数量级,而质子则相反;高能电子在两极辐射带地区通量分布具有不对称性,主要表现为在北辐射带西经75°到东经90°存在低值区,相对应的是粒子主要聚集在其磁共轭区,且其边界和南大西洋异常区相交;高能质子两极辐射带对称分布,在南半球东经0°至东经50°存在高值区.利用概率密度统计分析发现,各颗卫星在南大西洋异常区和两极辐射带的高能电子和高能质子通量总体上均呈正态分布.在南大西洋异常区,NOAA-15观测到的高能电子通量比其他卫星的低,NOAA-16观测的高能电子通量比其他卫星的高,各卫星的高能质子观测结果基本相同.在两极辐射带,各卫星观测的高能电子通量结果基本相同,NOAA-18和NOAA-19观测的质子通量最高,NOAA-16和NOAA-17次之,NOAA-15最低,其中NOAA-19比NOAA-15观测到的质子通量要高一个数量级左右.在磁暴期间顶部电离层高能电子的变化表明地磁指数Dst和空间粒子通量变化具有时间同步性.本文的研究成果将为我国下一代电磁卫星设计提供基础依据.

     

地磁平静期间磁层高能粒子非垂直地磁截止刚度研究

地磁截止刚度是定量衡量地球磁场对高能粒子屏蔽效应的参数,描述了高能粒子穿越磁层到达指定观测点的带电粒子刚度阈值.人们一直研究垂直方向上的截止刚度,但对作为方向函数的截止刚度,缺少详细研究.我们使用单粒子方法,倒向追踪粒子的运动状态,计算了近地空间不同投掷角度的高能粒子地磁截止刚度,研究发现：（1）天顶方向或者垂直方向的截止刚度通常不是最小地磁截止刚度;（2）最小地磁截止刚度对应的投掷角方向最大为沿着磁场方向,即0°方向;其次为天顶方向,也就是通常所说的垂直方向;然后为180°方向,即磁场的反方向;（3）全球范围截止刚度对应的投掷角分布符合两端上翘的正态分布形态,不考虑两端最大占比,其中心在90°附近;（4）通过地磁平静期间的数值模拟发现,使用垂直方向的截止刚度对比最小截止刚度将平均高估13.17%,最大可能高估70%;（5）不同经纬度高能粒子的截止刚度与投掷角不存在明显关系.我们的研究将对行星际高能粒子以及银河宇宙线进入磁层,尤其是高纬度地区磁层和行星际空间的高能粒子耦合机制具有重要意义.同时对极盖区辐射吸收、高能银河宇宙线造成的大气层化学过程以及极地空间背景等离子体的相关研究具有重要意义.

     

ZH-1卫星观测的VLF人工源信号特征分析与全波模拟

中国地震电磁监测试验卫星张衡一号（ZH-1）已于2018年2月2日成功发射,正在开展卫星数据在轨测试,并对卫星数据质量进行判定.本文对ZH-1卫星2018年5月至6月夜侧的VLF频段电场功率谱数据进行了分析.通过分析位于不同L值、具有不同发射频率的多个VLF人工源上空的卫星重访轨道观测数据,发现ZH-1卫星记录的人工源信号电场变化标准差与DEMETER卫星记录电场变化标准差几乎一致,说明ZH-1卫星观测数据具有较好的稳定性.通过重访轨道均值与全波模型计算结果对比,发现两者在数值上较为接近,在形态上较为一致,说明ZH-1卫星VLF频段电场功率谱数据具有一定的可靠性.此外,研究了VLF人工源上空及共轭区的电场分布特征和电波传播规律,并与DEMETER卫星的结果进行了对比,结果表明VLF人工源产生的电磁辐射穿透电离层后以导管或者非导管的哨声波模向共轭区传播,因为传播过程中的朗道阻尼,共轭区的电场能量比辐射源顶空更小.VLF人工源位于L < 1.5时,电磁波传播更容易发生非导管传播,VLF人工源信号导管传播模式在共轭区的电场响应相对于共轭点会发生一定程度北向偏移.

     

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,鉴于闪电哨声波原始波形数据能够通过播放器产生降调的声音,本文打破以视觉分析为主的闪电哨声波研究惯例,首次采用语音智能技术研究其自动识别算法.首先,以张衡一号卫星感应磁力仪(SCM)的VLF波段的波形数据为研究对象,截取时间窗口为0.16 s的波形数据作为音频片段;然后对该片段进行去趋势处理;基于梅尔频率倒谱系数(MFCCs)能够刻画人耳的听觉机理,提取闪电哨声波的MFCCs特征;其次,构建长短期记忆(LSTM)神经网络并输入波形数据的MFCCs特征训练分类模型;最后利用MFCCs特征和训练得到的LSTM分类模型实现闪电哨声波自动识别.通过对10200数据集(5100段包含闪电哨声波,5100段无闪电哨声波)上开展实验发现：该方法的准确率为96.7%,召回率为84.2%,调和平均得分(F1-score)为90.0%,AUC(Area under Curve)评分为90.1%,而且消耗的时间成本是2.28 s,消耗内存资源是82.89 MB;当前最优的基于时频图的闪电哨声波识别算法在本数据集上的准确率为97.3%,内存消耗为233 MB,在CPU上处理0.16 s的片段数据所消耗的时间是6.71 s,内存消耗和时间消耗比较严重.相比而言,基于智能语音的闪电哨声波识别算法准确率略低0.6%,但能够节约66%的时间成本以及65%的内存资源.这表明该算法不仅仅适合从卫星观测的海量数据中快速准确识别出闪电哨声波,且更适合应用于星载识别.

     

关于数字化地震台网(站)建设的几点思考

本文在总结地震观测技术系统建设现状和发展的基础上,分析了目前数字化地震监测技术系统管理方面存在的几个问题,针对这些问题提出了地震监测技术系统集约化监控的解决方案。对集约化监控的概念、功能以及效益本文做了详细的介绍,并以十三陵地震中心台为例说明集约化监控系统在地震观测台网(站)建设与管理中的可行性。     

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.

     

张衡一号卫星记录的空间电磁波传播特征分析方法及算法实现

本研究主要利用张衡一号电磁卫星（CSES）记录的电磁场波形数据,研发了电磁波波矢量分析工具,该工具包提供电磁波形频谱变换、奇异值分解（SVD）方法以及坡印廷能流计算功能.选取了张衡一号卫星在ULF/ELF/VLF频段观测到的哨声波、准周期辐射、电离层嘶声波等典型波动事件,开展了频谱分析和波矢量分析.通过与DEMETER卫星的对比观测研究,验证了算法的正确性,并且初步探讨了这些波动的传播特征,其结果也验证了张衡一号卫星在电磁场观测方面具有良好的性能.本研究研发的波矢量分析工具包可直接运用到张衡一号卫星的常规数据处理和科学分析应用中.