（信号与信息处理专业论文）垂直探测电离图f层描迹自动判读方法的研究.pdf

垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 摘要 电离层探测研究是近地空间环境研究的重要内容，对电波通信及环境监测有 着重要意义。随着探测技术的发展和设备的不断更新，探测得到的电离层数据量 变得非常巨大，并且电离层监测与预报工作对电离层探测数据的实时性提出了更 高的要求，传统的人工判读模式已经不能满足实际需要。由此，垂直探测电离图 的自动度量就成了电离层观测研究的重要内容，长期得到电离层研究者的关注。 本文在介绍电离层探测相关内容的基础上，借鉴国内外已有电离图自动度量方 法，提出了以电离层描迹的几何形态和空间位置特征为依据，利用图像识别算法 进行f 层描迹定位提取和参数判读的方法。主要工作包括： 1 系统介绍了电离层探测相关知识，给出了垂直探测电离图的参数定义，并 对现有判读方法进行了总结分析，为本文方法的研究奠定了基础。根据对电离层 基础内容的分析，明确了本课题的工作目标及意义，并提出了本文判读方法的整 体流程。算法流程主要分为电离图f 层描迹提取和电离图f 层描迹判读两部分。 2 根据对垂直探测电离图的分析，指出电离图参数判读的关键是能够对电离 图描迹进行准确定位和识别。讨论了电离图f 层描迹定位和提取的算法，步骤包 括基于阈值滤波和形态学平滑滤波的电离图预处理，基于电离层目标频率范围划 分和连通分量标记的目标标定及依据描迹形态特征利用在f 层描迹主轴方向的 投影积分来提取f 层描迹。 3 针对上步提取算法得到的f 层描迹的形态特征，讨论了f 层描迹各组成部 分的识别和参数判读算法，步骤包括基于扩散偏微分方程和数学形态学描迹去 噪，基于图像骨架和关键点检测的f 层描迹主体寻常波与非寻常波的识别和参数 度量及基于形态学的方向性增强和r a d o n 变换直线检测的f 层临界频率度量。 本文利用大量实际探测数据分别对f 层描迹提取和f 层参数判读两个算法进 行了实验验证，实验结果表明了所提算法的有效性和可行性。 关键词：电离图：自动度量：图像识别；数学形态学滤波；积分投影；偏微分 方程 s t u d yo i la u t o m a t i cs c a l i n go ft h efl a y e rt r a c e si n a b s t r a c t m n o g r a m i o n o s p h e r i cs o u n d i n gi sa ni m p o r t a n tc o n t e n tf o rt h er e s e a r c ho fn e a r - e a r t hs p a c e e n v i r o n m e n t , a l s oh a ss i g n i f i c a n t m e a n i n g o nr a d i o c o m m u n i c a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g a st h ed e v e l o p m e n to fd e t e c t i o nt e c h n i q u ea n d u p d a t i n go f e q u i p m e n t ，t h ea m o u n to fi o n o s p h e r i cd a t ai sb e c o m i n gl a r g e rt h a ne v e rb e f o r e t h e a s s i g n m e n to fm o n i t o r i n ga n dp r e d i c t i n gi o n o s p h e r ea l s or e q u i r e sh i g h e rd e m a n do n r e a lt i m ed a t a t h et r a d i t i o n a lw a yo f o b t a i n i n gt h ei o n o s p h e r i cp a r a m e t e r sb ym a n u a l m e t h o dc o u l dn o ts a t i s f yt h ea c t u a ld e m a n d t h u s ，a u t o m a t i cs c a l i n go fi o n o g r a m p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ni o n o s p h e r i cr e s e a r c h , w h i c hh a sb e e nat o p i cf u l lo f s c i e n t i f i ci n t e r e s tf o r i o n o s p h e r i cr e s e a r c h e r sf o ral o n gt i m e d r a w i n go nt h e e x p e r i e n c e so fo t h e rm e t h o d so fi o n o g r a ms c a l i n g ，an e wm e t h o df o rs c a l i n gt h ef l a y e rt r a c e si ni o n o g r a mb a s e do nt h ei m a g er e c o g n i t i o ni sp r o p o s e da n dd e s c r i b e di n t h i sp a p e r a n dt h ea l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r so fi o n o g r a m l a y e r ss u m m a r i z e df r o mt h eb a s i ck n o w l e d g eo fi o n o s p h e r i cv e r t i c a ls o u n d i n g t h e w o r km a i n l yc o n t a i n s ： 1 t h eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o no f i o n o s p h e r i cs o u n d i n ga r ei n t r o d u c e d ，w h i c h i n c l u d e st h ed e f i n i t i o no ft h ei o n o s p h e r i cp a r a m e t e r si ni o n o g r a ma n dt h es u m m a r yo f e x i s t i n gs c a l i n gm e t h o d s ，l a y i n gf o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho ns c a l i n ga l g o r i t h m ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fi o n o s p h e r i cb a s i sk n o w l e d g e ，w ec o n f i r mt h er e s e a r c h c o n t e n ta n dr e s e a r c hs e n s eo ft h i ss u b j e c ta n dp r o p o s et h eo v e r a l lf l o wo fa l g o r i t h m t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi n c l u d et w os t e p s ：l o c a t i o na n dr e c o g n i t i o no ft h efl a y e r t r a c e si ni o n o g r a ma n ds c a l i n go ft h ef l a y e rt r a c e s 2 b a s e do nt h er e a l i z a t i o no fi o n o g r a m ，w ek n o wt h a tt h ek e yo fi o n o g r a m s e a l i n gi st ol o c a t ea n dd i s t i n g u i s ht h ei o n o s p h e r i ct r a c e sp r e c i s e l y t h u s ，am e t h o df o r t h el o c a t i o na n dr e c o g n i t i o no ft h e i o n o s p h e r i ct r a c e si ni o n o g r a mw a sp r o p o s e d ， w h i c hi n c l u d e sp r e t r e a t m e n to fi o n o g r a mo nt h eb a s i so fi m a g es e g m e n t a t i o na n d m o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g ，c a l i b r a t i o no fi m a g et a r g e tc o n s i s t so fd e t e r m i n a t i o no ft h e f r e q u e n c yr a n g ea n dl a b e l i n go fc o n n e c t e dc o m p o n e n t s ，r e c o g n i t i o no ft h efl a y e r ： t r a c e su t i l i z i n gt h ei n t e g r a lp r o j e c t i o n 3 s c a l et h ef l a y e rt r a c e so b t a i n e db yt h ep r e v i o u ss t e p t h i sa l g o r i t h mi n c l u d e s i m a g en o i s er e m o v a lb yp d em o d e la n dm o r p h o l o g i c a lf i l t e r , i d e n t i f i c a t i o no ft h e t r a c e so fo xi nt h em a i nb o d yo ffl a y e ro nt h eb a s i so fs k e l e t o n i z a t i o na n dd e t e c t i o n o fk e yp o i n t s ，m e a s u r e m e n to ft h ec r i t i c a lf r e q u e n c yo ffl a y e r i nt h i sp a p e r , w eh a v ep e r f o r m e das e r i e so fe x p e r i m e n t st oc o n f i r mt h e e f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o df o rl o c a t i o na n ds c a l i n gt h efl a y e rt r a c e s m l o n o g r a m k e y w o r d s ：l o n o g r a m ；a u t o m a t i cs c a l i n g ；i m a g er e c o g n i t i o n ；m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g ；i n t e g r a lp r o j e c t i o n ；p a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n s 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 l 绪论 1 1 课题研究背景与意义 距离地面6 0 1 0 0 0 k m 的地球高层大气受太阳紫外辐射和x 射线的光化离解 等作用，一部分空气分子被电离产生等离子体，形成电离层。根据美国电气和电 子工程师协会标准( 1 9 6 9 ) 规定，电离层的定义为“地球大气层的一部分，其中 存在的离子和电子在数量上多到足以影响无线电波的传播。作为地球空间环境 的重要组成部分之一，电离层含有大量空气原子和分子通过电离产生的自由电子 和正电离子。电离层介质特性非常复杂，能够影响电波信号的强度、频率和传播 方向等特性，对无线电波的传播起到关键作用。 人类已经进入信息化时代，无线电波通信在人们日常生活中应用非常广泛， 比如手机通信，广播电视和g p s 导航等；在军事上，现代战争也越来越向以信息 和电子对抗为主的方向发展，雷达监测和电子目标定位等电子手段已经是国防工 作的关键环节。当太阳和地磁活动强烈时，电离层结构状态和物理化学性质会发 生变化，进而影响无线电波的传输，导致通讯失败甚至损坏地面通信设备。科学 研究表明，电离层扰动情况与地震之间有密切的关联性，对于地震引起的电离层 变化的研究有望成为地震预测的突破点。现在地球地质运动活跃，全球地震灾害 频发，地震在短时间内释放的巨大能量会给人类的生命财产造成极大的威胁，根 据电离层状态进行地震预测有重要研究意义。另外，电离层本身所处位置就是许 多危害人类活动与生存环境的灾害性天气的发生地【1 】【2 1 【3 1 。所以，对电离层形成 和变化的物理机理的研究和结构状态的实时监测在提高通信质量、避免电离层扰 动带来的影响和对地震灾害的预报等方面有着重要意义。 电离层探测是研究电离层物理化学特性的基础，其中电离层垂直探测是最早 用于电离层探测且至今仍然发挥重要作用的探测方法。电离层垂直探测是一种间 接探测方法，其探测结果是由探测频率及频率对应电离层反射高度之间的关系曲 线组成的频高图。利用电离图中各层描迹关键点读取的高度和频率坐标参数可以 通过相关反演算法获取电离层的电子密度、离子速度等物理参量，进而得到探测 区域顶部的电离层状态参数信息，为电离层结构状态的监测与研究提供分析数 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 据。电离层垂直探测电离图的判读方法长期以来都是以人工方式实现的，虽然人 t 笋l j 读的参数结果比较准确，但却极其耗费人力，而且不能够提供有效的电离层 实时监测数据。所以，电离图参数自动判读方法的研究一直以来都得到了电离层 科研工作者的重视。 电离层f 层，特别是f 2 层对电波的反射起主要作用，地面的短波通信和雷 达系统主要靠其反射实现。在夜晚，其它各层经常消失不见，而f 层始终存在且 经常出现因为不稳定性产生的电子密度不规则体结构而影响电波传播。电离层f 层的状态参数是电波通信、g p s 定位等最关心的问题，所以f 层相关参数就成了 判读工作的重点。本课题研究内容主要是针对我国所处中纬度地区的电离层结构 状态，对垂直探测电离图f 层描迹进行自动判读的方法。本文通过对国内外已有 自动判读方法的研究总结，以电离层探测基础内容为依据，结合数字图像处理中 的特征提取与分析技术，对垂直探测电离图f 层描迹进行自动提取与参数判读的 方法进行了研究。作为一项交叉学科的应用型研究课题，本文把数字图像处理部 分算法引入电离图处理领域，对传统的基于电离层知识的判读方法存在的不足进 行补充，有利于推动电离图自动判读方法的发展，也将在一定程度上分别影响电 离层物理科学和图像处理技术的发展。 1 2 国内外研究发展动态 人类对于电离层的研究，开始于二十世纪初。 英国的a p p l e t o n 和b a r n e t t ， 美国的g b r e i t 和m a t u v e 分别于1 9 2 4 和1 9 2 5 年先后利用脉冲探测实验证明 了电离层的存在。之后，a p p l e t o n 通过实验发现电波回波来自于不同高度的反射， 并开始使用字母d 、e 、f 来表示电离层分层结构。1 9 3 2 年，a p p l e t o n 建立了完 整的磁离子理论，提出了计算电波折射指数的a h 公式，极大的促进了电离层探 测研究的发展。随着无线电波传播技术的发展及人造卫星等航空设备应用于探测 技术，使电离层探测研究技术更加全面和成熟。我国对于电离层的研究开始于上 世纪三十年代，并且在电离层研究方面做出了很多贡献。1 9 3 7 年，梁百先教授 与英国的a p p l e t o n 各自独立发现了赤道异常这个电离层异常现象；上世纪4 0 年 代，龙咸灵教授首次指出电离层结构中的e 层有时可再分层，形成e 2 层。1 9 4 6 年，在武汉大学成立的游离层实验室是我国历史上第一个电离层观测实验室，并 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 开始系统积累了国内首批电离层观测资料。近年来，我国的空间环境科学发展非 ： 常迅速，相继提出了很多针对空间探测的重大计划，电离层探测研究也进入了新 的发展阶段。目前我国已经建立了分布合理的电离层垂测站网，从2 0 世纪5 0 年代开始进行常规观测，积累了大量观测数据，并且已经再大量历史数据的基础 上建立了适用于中国地区的中国参考电离层模型( 4 s 1 ( 6 1 。 电离图参数判读是对电离层探测数据进行正确分析的基础，长期以来电离图 的判读大多采用人工度量的方法，此方法可以提供较为准确的度量结果。随着电 离层探测技术的发展，探测数据量变得非常巨大，并且对探测数据的时效性提出 了更高的要求，人工度量电离层参数的模式已经不能满足现在研究工作的实际需 求。许多研究者开始关注电离图自动判读方法的研究。随着计算机技术和人工智 能技术的发展，电离图自动判读成为可能并在长期的研究过程中取得了很多成 果。国外从6 0 年代开始就开始对电离图自动判读相关技术进行研究并取得了很 多科研成果。例如，1 9 6 9 年l o c k w o o d 开发了用来详细分析复杂电离图的半自动 系统。1 9 8 0 年h w a l d m a n 利用i s i s 电离图提出了描迹提取( t e ) 算法。1 9 8 2 年， b o d o w r e i n i s c h 和h u a n gx u e q i n 发表了三篇关于电离图自动度量的论文，文中 具体讨论了对顶部探测电离图和底部探测电离图的自动判读研究7 l 【8 】【引。1 9 8 8 年， m a t t h e wwf o x 对垂直探测电离图自动判读进行了详尽阐述1 1 0 l 。目前常见的方法 有a r t i s t 方法，约束外推法，模糊几何法和轮廓拟合法等【l 儿。 a r t i s t ( a u t o m a t i cr e a lt i m ei o n o g r a ms c a l e rw i t h t r u eh e i g h t f h 美国罗尔大学 大气研究中心研制，是目前使用最广泛的方法【1 2 】。它结合了图像识别、解析函数 拟合技术及抛物线和切比雪夫多项式等方法对电离图进行判读。 约束外推法( s e e d i r i gw i t hc o n s t r a i n e de x t r a p o l a t i o n ) 是澳大利亚电离层预报服 务中心研制，使用在i p s 数字测高仪上1 1 3 】。它通过多项式拟合各层描迹，依据电 离图描迹特点，在图中搜索满足各层条件的描迹。 模糊几何法( f u z z yg e o m e t r y ) 是中国台湾地区的国立中央大学太空与遥测研 究所研制【1 4 。该方法以电离图的像素灰度值为依据，利用模糊几何学中的归属函 数和相邻函数等，推断出各层描迹，最后进行平滑和插值优化描迹。 轮廓拟合法( r i g i dc o n t o u rf i t ) 是意大利国立地球物理与火山研究所研制【l 引。 针对电离图f 2 层描迹，利用一系列经典f 2 层描迹在图中移动计算描述相关性， 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 找到与电离图最相关的曲线，然后寻找曲线附近的像素点进行拟合得到最终的 f 2 层描迹。 我国电离图自动判读方面的研究处于起步阶段，与国际先进技术还有一定差 距。中国科学院和中国电波传播研究所提出了基于电子浓度高度剖面经验正交函 数e o f 分析的频高图参数自动度量方法 1 1 1 ，基本思想是对电子浓度剖面的历史 数据进行e o f 分解，构造e o f 多项式，再计算出电离图描迹去逼近观测数据， 直接得到电子浓度剖面信息，而无需经过电离图的度量，这是与其他方法的不同 之处。中国电波传播研究所提出的基于国际参考电离层模型o r i 模型) 的垂测电离 图自动判读算法，利用i r l 模型、模糊理论、约束外推、a r t i s t 算法相结合对常 规电离图进行处理得到了较高的识别率【1 6 1 。 1 - 3 本文工作安排 本文总结分析了电离层探测的相关内容，明确了工作目标及意义。依据电离 层探测基本知识，结合数字图像处理部分算法，研究了垂直探测电离图f 层描迹 自动提取算法及f 层描迹参数判读方法。 本文的主要结构安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了电离图自动判读课题的研究背景和意义以及国内 外研究发展动态。 第二章：电离层探测相关知识。介绍了与电离层探测相关的基础知识，包括 电离层的形成变化机制，电离层分层结构，电离层探测方法与原理以及垂直探测 电离图参数定义，明确了本文的工作目标和意义并在最后给出了本文所研究方法 的整体流程。 第三章：电离层f 层描迹提取方法。讨论了依据电离层各层描迹形态及位置 特征，利用数字图像处理技术对垂直探测电离图f 层描迹进行提取的方法，主要 包括基于自动阈值滤波和形态学平滑算法的图像预处理、基于目标频率范围划分 和连通分量标记的目标标定及以描迹主体为基础的描迹提取三个步骤。 第四章：电离图f 层描迹参数判读方法研究。本章研究了在提取的f 层描迹 基础上，对f 层描迹寻常波和非寻常波进行识别，并读取f 层描迹各项参数。内 容主要包括基于扩散偏微分方程增强修复描迹断裂和形态学滤波算法结合的描 4 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 迹图像去噪、基于形态学骨架技术和关键点检查的描迹主体寻常波和非寻常波判 ： 读以及利用形态学方向性增强和r a d o n 变换识别临界处有用描迹并读取描迹参 数三个步骤。 第五章：总结与展望。对本文工作进行总结，并结合现实存在的问题与不足 对课题提出展望。 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 2 电离层探测相关知识 本章主要介绍电离层探测的相关背景知识，包括电离层的形成变化机制、电 离层的分层结构、电离层探测方法及原理。定性分析了垂直探测电离图的描迹特 征与参数组成情况，指出了本课题的工作目标及意义。最后在基本知识分析的基 础上提出了本文提出方法的整体流程。 2 1 电离层基础知识 2 1 1 电离层形成与变化机制 电离层位于距离地面6 0 1 0 0 0 k m 的高度范围内，是近地空间环境的重要组成 部分，是人类重要的生存活动环境。在太阳紫外线、x 射线等电离源的辐射作用 下，大气层中的中性成分被部分电离或者完全电离，在一定高度上形成电离层。 所谓电离作用就是指带负电荷的电子脱离中性原子和分子形成带正电离子和自 由电子的过程。电离层中主要包含大气中性成分、自由电子和各种离子，整体上 呈电中性。但由于电离层中含有足够多的自由电子，能够对无线电波的传输产生 显著的影响1 7 1 。电离层对电波传输的影响主要体现在对电波的折射和散射作用， a - h 公式显示了电波折射指数和电子浓度的关系，另外电离层不规则体的运动是 产生电波散射的主要因素。 电离层的基本物理过程包括电离成分的产生、消失过程及电离成分的运动变 化过程两类。电离成分形成和消失过程主要是太阳辐射引起的电离作用和大气分 子化学结合过程。电离层运动变化过程主要包括热力学过程、动力学过程和电动 力学过程，这些过程对电离层结构状态起到重要作用【1 8 l 。 连续性方程是描述电离层物理过程的基本方程【引，说明了各种过程与电子密 度变化的关系，如式： 警：q - l ( n 。) 一v ( 。旷) ( 2 _ 1 ) 式中。代表电子密度，f 代表变化时间，q 代表电离生成率，( 。) 代表电离消 6 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 失率，旷是离子漂移速度。电离生产率是指在电离源的作用下，单位时间和单位 体积中产生的离子电子对的数目；电离消失率是指单位时间和单位体积中消失 的离子电子对的数目，其中电子消失的途径主要包括与分子离子和原子离子的 复合及附着在中性分子上；离子漂移速度是指无规则热运动上的等离子体整体运 动速度。 等离子体运动由电场、中性风和等离子体扩散三部分组成1 9 1 ，如下式： 矿= 吃+ 瓦+ 瓦 ( 2 2 ) 第一项是电磁漂移项，一般形式表示为： 吃= 忙雪) 云： ( 2 3 ) 第二项是中性风项，说明中性风能驱动f 层等离子体沿着磁力线运动，速度 等于中性风在磁力线方向的分量，表示为： 露= 够雪) 豆召2 ( 2 - 4 ) 第三项是等离子体扩散项，扩散速度由扩散系数d 、重力及等离子体的密度 和温度在地磁场方向的一阶和二阶导数。 2 1 2 电离层状态影响因素 电离层结构变化非常复杂，受多种控制因素的影响，其中最主要的是太阳活 动和地磁活动【2 0 i 1 2 1 1 。太阳辐射是电离层主要的电离源，对电离层状态起主要控 制作用。在太阳活动平静情况下，太阳活动的周期性使电离层存在着规则的日变 化、季节变化和空间经纬度变化。日出时，太阳辐射增强导致大气电离作用加剧， 电子密度随着快速增加。随后，电子浓度在白天缓慢的增加，在日落后随着电离 源的消失而逐渐下降。在而当电离层受到太阳耀斑爆发和太阳物质抛射等太阳强 烈活动影响，也会出现剧烈的电离层效应。地球自身是一个大的磁场，地磁活动 也是影响电离层状态的重要因素。当磁暴发生时，在磁场作用下高能粒子自磁层 向下沉降加热高纬热层底部中性大气，使之膨胀，最终引起全球范围内的电离层 扰动，形成电离层暴。 除了太阳和地磁活动之外，来自地球低层空间的因素也会给电离层带来影 响，如地理形态引起的气候变化、地震发生之前引起电离层异常等。研究表明， 7 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 电磁异常是最敏感的地震前兆表现之一，电磁变化观测可能成为实现地震预测的 ： 突破点2 2 】【2 3 1 。b a r n e s 在1 9 6 4 年阿拉斯加地震时，第一次发现电离层扰动现象与 地震之间有关联，之后世界范围内的研究者进行了大量研究。虽然目前对于地震 引起电离层扰动的机理还没有定论，但很多观测数据证明了两者之间的关联性。 汶川地震前的电离层数据分析就表明电离层的电子密度在地震前几天的午后发 生了异常扰动。目前在全球范围内的二十多国家和地区都开展了地震引起的电离 层变化前兆研究。我国政府对地震预报也十分重视，在华北地区建立了一个电离 层的斜探测观测网络，开展地震预测方面工作。目前全球处于地震活跃期，对地 震引起的电离层扰动现象研究意义重大。 2 1 3 电离层分层结构 地球大气由于重力作用形成水平分层结构。另外太阳辐射强度在不同的大气 高度上产生的电离强度也是不同的。所以，在大气空间中的电子密度分布不是重 力扩散平衡的，存在几个电子密度的峰值。如图2 1 所示为经典的电子密度高度 剖面图包括了夜间和白天的电子密度分布情况，横坐标代表电子密度大小，纵坐 标代表距离地面高度。 管蚋 钧0 2 如o 01 0 4l o l5 x 1 , 0 1 0 ( 嘲- l ， 图2 1典型的电离层电子密度剖面图 电离层在不同高度上的电子密度是代表电离层状态的最重要参数，电离层的 分层结构就是根据电子密度高度剖面情况划分的2 4 】【2 s l 【2 6 1 。按照电子密度峰值对 应高度划分，电离层划分为d 层、e 层、f 1 层和f 2 层，其中f 1 层和f 2 层在夜 间合并在一起成为f 层。 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 d 层分布在6 0 一9 0 k i n 高度范围内，层中电子和离子的频繁碰撞导致电波能量 ： 转移，对电波起吸收作用。电子密度随高度迅速变化，有明显的日变化和显著的 季节变化。 e 层分布在9 0 1 5 0 k m 的高度范围，层中等离子体满足光化学平衡，是中等 浓度的分子离子层。符合c h a p m a n 模式，电子密度最大值出现在中午；季节变 化大，夏季呈最大电子密度值；随太阳活动呈正向变化，当夜间太阳辐射消失时， e 层会在等离子体复合作用下迅速消失。 f 层是电离层的主要组成部分，分布在1 5 0 1 0 0 0 k m 的高度范围，是电离层 中电子密度最大的区域，对电波反射起主要作用是地面短波通信和雷达系统非常 重要传播区域。文献【2 7 对电离层各层具体的状态作了总结，见附录l 。 f 层可以划分为f 1 层和f 2 层两部分，由于大气成分在不同高度上的区别， 这两层的状态性质有所不同。f 1 层光化学作用突出，不总是稳定存在的，一般 出现在太阳活动极小期的夏季白天。f 2 层的状态主要由光化学过程和扩散过程 共同决定，始终存在且状态稳定。在夜间f 1 层和e 层逐渐消失，而f 2 层始终存 在的原因如下：电离层中等离子体要不断的经过产生和损耗过程，即太阳辐射带 来的电离过程和电子与离子碰撞结合形成中性原子或分子的过程，其中损耗过程 中的电子与分子离子的结合比电子与原子离子的结合更有效。由于f 2 层主要由 原子离子( o + ) 组成，主要由分子离子( d j 、n o + ) 组成，在太阳辐射消失后 电离过程停止、以损耗过程为主的夜间，f 1 层会很快消失而f 2 层始终存在。 另外需要说明的是一种发生在e 层高度范围的电离层不规则变化。电离层突 发e 层( s p o r a d i ce ，简称e s ) 是在e 层高度范围内出现的不均匀结构现象，目 前对其形态结构和形成机制还没有统一的说明。e s 层形态不规则，有时连续成 片完全遮盖高层，有时呈现出部分透明的分块形状。根据描迹的形状来区分，e s 层主要划分为九种标准类型，包括平型，低型，尖型，高型，赤道型，时延型， 极光型，斜型和d 区型，他们分别用小写字母t i ，c ，h ，q ，la ，s ，d 来表示 2 8 oe s 层出现时的电子密度很高，对无线电波传输有显著的影响，有时会反射本可以到 达f 层高度的电波，引起对较高电离层的遮蔽现象。由于它出现时间很不稳定， 且难以预测，e s 层对电离层各层的探测存在很大影响，目前对于被e s 层遮蔽的 高层信息只能进行估计而不能准确恢复上层信息。 9 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 在电离层中，无线电波由于地球磁场的作用分离为两种相反的圆极化波，称 ： 为寻常波和非寻常波。他们的传播是相互独立的，在电离图中体现为d 波和x 波 两条描迹。根据电磁理论，电离层寻常波和非寻常波模式之间频率间隔半个磁旋 频率，即电子围绕地磁场旋转的频率，根据纬度和电离层高度的差异而不同。中 纬度地区磁旋频率厶大约为1 2 m h z 。 2 2 电离层探测方法及原理 电离层的物理化学特性的研究是以电离层探测的基础的，历史上对于探测方 法和技术的改进总能不断推动电离层研究的发展。人类对于电离层的研究由来已 久，早在1 9 2 4 年英国的a p p l e t o n 和b a r n e t t ，就利用无线电波探测方法实验证明 了电离层的存在，开创了利用无线电探测方法研究电离层的时代1 2 9 1 。随着无线 电工业技术的发展，电离层探测和电波传播研究不断完善。到了二十世纪五十年 代，人们开始利用火箭和人造卫星在高空对电离层进行直接探测。电离层探测发 展到现在，已经建立和完善了各种地面探测手段和高空直接探测方法。电离层探 测就是利用电离层等离子体表现出的吸收、散射、多普勒频移等电磁现象来对电 离层进行研究的过程。通过探测，可以获取电离层的电子密度、温度和移动速度 等物理参量以及这些电离层参量的时空变化规律，包括日变化、年变化、地理位 置变化和太阳活动引起的影响等。 1 9 3 2 年，a p p l e t o n 建立了完整的磁离子理论，提出了计算无线电波在电离 层传播中折射指数的a h 公式，建立了电离层探测结果与电离层参数之间的关 系，促进了电离层探测研究的迅速发展【1 l 。他指出电离层探测频高图表示电离层 探测频率与其对应的反射高度的关系，通过读取的电离层参数可以反演出各层的 电子浓度分布及折射因子。通过磁离子理论a h 公式及慢变介质中射线传播理论 对频高图进行分析可以得到电离层各层的穿透频率和相应的最大电子密度值。高 频探测电波频率远高于离子磁旋频率，碰撞项可以忽略，折射指数甩可以表示为： 1 2 ：1 一 l j 2 0 - l x ) l o ( 2 5 ) 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 式中x ：萼，彩为角频率，国。是等离子体频率；：耳：y s i n9 ，圪：y c o s 口，口 国。 是电波法向和地磁场夹角。y = 国片国，。对于电子j 矢量j ，的方向与外磁场的方 向相反；对于正离子，方向与外磁场方向相同。其中= 俐是磁旋频率a 方程中符号，表明对每一频率的波同时存在两种传播模式，分别称为寻常波( o 波) 和非寻常波( 波) 。垂直入射电离层的电波在厅2 = 0 的高度反射。a h 公式 证明，发生反射时参数应满足以下关系： x = 1寻常波 x = 1 + ，非寻常波 x ；1 一j ， 非寻常波 即电波频率厂、电子等离子体频率、电子回旋频率厶满足： jp = f o = t j hf 。 = t h 九 在电离层中起主要作用的是自由电子，电离层各层的电子浓度与该层的最大 等离子体频率之间关系如下： 厂，2 = 篙 协6 ， 式中m 代表电予浓度；e 是电子电量；7 是电子质量；是自由空间介电常数。 将各项的实际数值代入公式得到： 厶= 厩 ( 2 7 ) 当且仅当：。时，对应该层的临界频率，即该层能够反射的最大频率。 当探测频率高于临界频率时，电波将穿透该层进入高一层电离层中。 电离层的探测主要分为直接探测和问接探测两部分3 0 i 。直接探测就是指通过 安装在卫星或者火箭上的测量仪器在电离层中进行探测，直接获得电离层相关参 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 数。间接探测根据工作目标的不同又可以分为被动探测和主动探测，被动探测是 通过接收电离层自身的辐射或者反射的太阳辐射，通过算法计算得到电离层状态 信息，如利用气辉和极光观测反演得到电离层电子密度；主动探测是利用人造仪 器主动发射电磁波，然后接收经电离层反射之后的回波，通过处理回波信号来研 究电离层状态：l 生质，例如电离层垂直探测和斜向探测方法。 主动探测是电离层探测的基本方法，长期以来积累了大量历史数据，至今仍 然在电离层探测方面发挥着重要作用。目前主要包括垂直探测、斜向探测和返回 散射探测三种地基探测方法。 电离层垂直探测是电离层探测中最早使用的探测方法，美国的g b r e i t 和 m a t u r e 在1 9 2 5 年发明了电离层测高仪用于电离层垂直探测。电离层垂直探测 的基本原理是通过地面的测高仪垂直向上发射高频无线电脉冲，探测频率厂在 ( 1 0 3 0 m h z ) 范围内以一定频率步进连续变化，然后利用同一地点的地面接收机接 收电离层反射的回波信号并记录电波的传播时间f 。由公式( 2 1 ) 得到虚高h 随 探测频率厂变化的电离图，也称为频高图。 h ：! c f( 2 8 ) 2 式中假设脉冲波在电离层介质中的传播速度为理想状态，以光速传播。实际电波 在电离层中的传播速度小于光速c ，计算得到的反射层高度远大于真实高度，因 此，h 称为电离层虚高。 illli jijjf lil l f o f tf i f ill li fi jl i f 譬1 凸y 口r ，i ：o y lf x f 二 i ，i i n7 7l ll 。ji 、l | ，二亍， i f ) 1 e e l -i ，ili yiii _ - 一一 y l i 2 t i 2 e $ t 一 - e 埘e = 善三戈皂 2 i 。h 手一：r 学； 1 芋i 。车。i l阵。l 一，j f 譬 i ul- itiit i z34 5 d 78 9o1 2 7 只e q 0 r 言n “ -口i。 t y ? 1 c 工t ，工o n d g ；l m 图2 2 典型垂直探测电离图图例 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 如图2 2 所示为典型垂直探测电离图图例，其中完整地展示了电离层各层描 ： ： 迹常见的标准形态，而且图中详细标记了电离图包含的所有电离层参数信息。对 读取的电离图参数信息利用磁离子理论的a i 1 公式及射线传播理论等进行分析 可以获得电离层电子密度分布等相关参数。 电离层斜向探测是将垂直探测方法中的探测电波发射和接收设备分别放置 在相隔固定距离的两处，记录探测信号的相对传播时间与频率的关系，得到斜向 探测电离图。斜向探测主要用于研究不同时间和频率的电离层传播模式，确定特 定电路上可能存在传播模式的频率范围及射线距离。 电离层返回散射探测过程是探测电波斜向射入电离层，被反射到远方地面， 由于地面起伏及电特性不均匀性使电波向多方向散射，部分散射波将沿原来路径 返回到发射点。接收机记录电波的传播时间，获得大面积范围内频率与时延关系 和电离层传播参数。返回散射探测主要应用在短波无线电覆盖区的监视、运动目 标检测和电离层结构的探测。 2 3 垂直探测电离图 ：” 2 0 l o 年0 2 月2 6 日眄百 图2 3 垂直探测电离图度量软件工作界面 前面对电离层探测方法与原理的讨论中，已经对垂直探测方法的探测原理进 行了描述，并在图2 2 中展示了典型的垂直探测电离图图例。本节将对我们需要 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 处理的探测数据的相关内容进行介绍。图2 3 所示为垂测数据人工度量软件的工 作界面，读取的内容是新乡观测站2 0 1 0 年0 2 月2 6 日1 5 时探测的电离层数据。 工作界面的上边部分是电离图显示区，显示垂直探测数据绘制得到的频高图，横 坐标是探测频率值，纵坐标是虚高，图中像素点包含探测频率值，对应反射虚高 值和信号强度值三个基本信息参数；工作界面的下面部分是人工度量得到的电离 图参数显示区，显示了垂直探测电离图中包含的1 4 个参数。下面具体介绍电离 层探测需要的1 4 个参数。 临界频率： 无e ：e 层临界频率； 厶e ：f 1 层电离层非寻常波临界频率； 厶最：f 2 层寻常波的临界频率，是电离层中最为重要的参数，对电波传播 有着重要影响； 工b ：e s 层寻常波的临界频率，表示被e s 层反射的基本连续的寻常波的最 大频率； 五e s ：e s 层遮蔽频率，表示e s 层开始变为透明的最低寻常波频率，由观测 到的高层反射寻常波的最低频率决定； 最低虚高： 元e ：e 层最低虚高； 办f ：f 层最低虚高； 办e ：f 2 层最低虚高； h e s ：e s 层最低虚高； 厶。：频高图中可以观测到的回波最低频率，可以作为电离层对回波吸收强 度变化的指标； m ( s 0 0 0 ) 互：相距3 0 0 0 k m 两点之间斜传播可以使用的最高频率 m ( 3 0 0 0 ) r ：相距3 0 0 0 k m 两点之间斜传播可以使用的最高频率。 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 b 层类型：电离图中存在的b 层类型； 甜：定义为记录到的，层反射的最高频率，不管是从垂直方向还是斜的方 向的反射，是表明f 层散射存在的一个参数。 以上参数中除m ( 3 0 0 0 ) 因子外，其它参数的数值直接与描迹坐标有关， 可以直接读取参数值。这些参数目前都是根据电离图度量规则人工度量得到，耗 费了极大的人力资源，而且不能为电离层状态监测提供有效的实时数据。因此， 电离图机器自动判读方法的研究就显得非常重要了。本文针对电离图中的f 层描 迹包含的厶互、五e 、脚、h f 、h f 2 等五个参数进行自动度量研究。电离层 有很多复杂的情况存在，这些都给度量工作带来难度，需要利用电离层相关知识 辅助解决。比如在度量e 。描迹时，f 或l 型描迹的寻常波和非常波通常是不能识 别的，一般假定具有最高频率的描迹是非常波分量，再以取层顶频减去归2 求 得寻常波临界频率。 2 4 本文算法整体流程 本文工作的主要目标是研究垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法。根据电 离图各层描迹的特点，将判读方法分为两大部分，分别对f 层描迹进行定位提取 及对f 层描迹进行寻常波和非寻常波判读，最终得到f 层参数信息。整体流程如 图2 4 所示。 原始图像l 叫f 层描迹提取卜- 叫f 层描迹参数判读 图2 4 算法整体流程图 垂直探测电离图f 层描迹自动判读方法的研究 由电离图探测知识的分析可以看出，电离图参数自动判读的关键就是能够对 ： 电离图中各层描迹进行准确的定位和识别。分层结构是物理电离层的主要特点， 对应到电离图中的各层描迹的分层分布特点就是电离图表现出的重要特征，图中 各层描迹之间表现出显著的几何形态及空间位置特征区别。其中，f 层描迹位于 电离图的中上方位置，始终存在且状态稳定。由于地球磁极的作用，f 层描迹由 极化产生的寻常波( o ) 和非寻常波( x )