基于注意力机制LSTM的电离层TEC预测

电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的监测与预报是空间环境研究的重要内容,对卫星通讯和导航定位等有重要意义.TEC值影响因素较多,很难确定精确物理模型来对其进行预测.本文设计了基于注意力机制的LSTM模型(Att-LSTM),采用过去24小时TEC观测数据对未来TEC进行预测.选择北半球东经100°上,每2.5°纬度选择一个位置,共计36个位置来验证本文提出模型的性能,并与主流的深度学习模型如DNN、RNN、LSTM进行对比实验.取得了如下成果:(1)在选定的36个地区未来2小时单点预测上,基于本文的Att-LSTM模型的TEC预测性能明显优于其他对比模型;(2)讨论了纬度对Att-LSTM预测未来2小时TEC值时性能的影响,发现在北纬0°到60°之间,Att-LSTM预测性能随着纬度的升高而略有降低,在北纬62.5°~87.5°之间,模型预测性能出现扰动,预测效果略差;(3)讨论了磁暴期和磁静期模型的预测性能,发现无论是磁暴期还是磁静期,本文模型预测性能均较好;(4)还讨论了对未来多时点预测效果,实验结果表明,本文所提出的模型对未来2、4个小时的预测拟合度R-Square均超过0.95,预测结果比较可靠,对未来6、8、10个小时预测拟合度最高为0.7934,预测拟合度R-Square下降迅速,预测结果不可靠.

长寿命低丰度放射性核素的激光共振电离质谱分析技术研究进展

长寿命低丰度放射性核素分析在核环境监测、核燃料循环和核取证等领域具有重要价值。激光共振电离质谱是一种将激光共振电离技术和质谱技术相结合的质谱分析技术,具有高选择性、高探测灵敏度和高丰度灵敏度等优点,适用于复杂基体条件下超痕量核素分析需求。该文综述了近年来课题组基于自研的磁-电双聚焦激光共振电离质谱仪进行121mSn、126Sn、233U、236U、238Pu等核素丰度分析的相关研究工作,介绍了高效原子化源、高元素选择性以及高同位素选择性实验技术,并对激光共振电离质谱用于超痕量核素分析的发展方向进行了展望。

谱特征选择对电离层闪烁事件识别的影响分析

对闪烁事件进行快速有效识别是GNSS应用的重要需求,为此利用不同时期、不同区域、不同系统信号测量,比较分析了利用机器学习方法基于不同信号功率谱参数进行闪烁事件识别的性能。分析的不同情形中,闪烁识别模型精度最高可达98.5%,最低为91.3%,其精度均可优于90%,表明利用闪烁信号功率谱特征可建立闪烁事件的有效识别方法。进一步分析指出,降低截止频率有助于提高闪烁识别模型的精度,这表明基于谱特征进行闪烁事件识别的主要依据是Fresnel频率附近一定频谱范围内存在谱强度显著降低这一特征。这个结论也从谱分析角度说明了利用高精度GNSS参考站接收机常规观测(1 Hz)进行闪烁事件识别的可能。对闪烁功率谱进行拟合,并利用拟合的谱特征参数建立识别模型,可进一步提高闪烁事件识别精度,并减少模型所需参数。

2020年7月22日阿拉斯加7.8级地震同震电离层扰动分析

利用全球导航卫星系统(GNSS)、电离层测高仪和地震仪数据,从振幅及波形、时空分布、传播速度与方向、时频域等角度对2020年阿拉斯加7.8级地震同震电离层扰动(Co-seismic ionospheric disturbances,CIDs)特性进行探究.卫星G03、G04和G09在地震西部探测到3类CIDs,最大扰动幅度约0.1 TECU (1 TECU=10^(16) el/m~2),并且均沿着地震断层破裂延伸方向(西南方向)传播;而在地震北部与东部未发现CIDs.根据CIDs的速度及中心频率将其分为三类,第一类为高速传播的CIDs(速度约为2.93 km·s^(-1)),中心频率约11 mHz,符合瑞利波激发的电离层扰动特征;第二类CIDs的传播速度约为1.69 km·s^(-1)和1.55 km·s^(-1),中心频率约4.5 mHz和4.7 mHz,符合声波引起的电离层扰动频率;第三类CIDs速度约为0.98 km·s^(-1)和1.11 km·s^(-1),中心频率约2.9 mHz,可能为声波引起的另一类电离层扰动.同时,利用CIDs时空数据估计的CIDs扰动源位置与震中较为接近,进一步说明电离层扰动由地震激发.通过对GNSS站及地震仪位移的分析,估计了地震瑞利波沿西南方向传播速度与第一类CIDs较为吻合,验证了第一类CIDs由瑞利波激发,且断层的垂直位移是引起电离层扰动的重要因素.测高仪观测到电离层临界频率(f_(0)F_(2))发生显著波动,探测到CIDs的传播速度约1.02 km·s^(-1),传播速度和方向与卫星G03、G04探测的CIDs较为吻合,推断其属于第三类CIDs.

重复频率微波脉冲大气击穿延时与电离率

针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次脉冲击穿延时和后续脉冲击穿延时,研究结果发现首次脉冲击穿延时在脉宽范围内大致均匀分布,后续脉冲击穿延时波动性较小。根据击穿延时数据对电离率进行了分析,指出在重复频率条件下,初始电子密度较高,电子密度分布不适用指数分布,无法用延时数据标准差对电离率进行估计。提出了一种用重复频率脉冲击穿延时数据计算电离率的方法,并将计算结果与仿真结果进行了对比,结果显示,二者有较好的对应关系。

离子漏斗聚焦光致化学电离质谱法在线同时测定7种大气羰基化合物

建立离子漏斗聚焦光致化学电离质谱在线同时测定7种大气羰基化合物的方法。基于飞行时间质量分析器,发展了离子漏斗聚焦光致化学电离源,通过光电子产生的H3O+试剂离子对羰基化合物分子进行化学电离,获得羰基化合物[M+H]+或[M-H2O+H]+的特征离子峰,利用特征峰面积外标法定量。甲醛、乙醛、丙酮、正丁醛、正戊醛、正己醛和苯甲醛7种羰基化合物在气体体积分数为5×10^(-9)~250×10^(-9)范围内与各目标物的质谱特征峰面积线性关系良好,相关系数均大于0.998,检出限为0.010×10^(-9)~0.087×10^(-9)。样品加标回收率为93.5%~107.7%,测定结果的相对标准偏差为1.2%~5.4%(n=5)。该方法适用于环境研究领域中大气羰基化合物的在线监测。

阿拉斯加2021年8.2级地震同震电离层扰动特征及对比分析

为分析2021年7月29日阿拉斯加8.2级地震引起的电离层响应,利用地震附近的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测数据估算电离层总电子含量(Ionospheric Total Electron Content,TEC)及同震电离层扰动(Coseismic Ionospheric Disturbances,CIDs).从多角度对CIDs的时空分布特征进行分析,并与阿拉斯加2018年7.9级走滑型地震以及2020年7.8级逆断层地震引起的CIDs对比.在地震西南方向探测到两类CIDs,最大扰动振幅约0.8 TECU(1 TECU=1016 el/m^(2)),并且在西南方向距离震中约1094 km的测高站EA653探测到CIDs.在震中西北、东北和北方向探测到传播速度相近的CIDs.根据CIDs的速度和频率大小将CIDs分为两类,第一类CIDs的传播速度为1.87 km·s^(-1),频率约为3.8 mHz,可能由地震声波引起,扰动量级最大;第二类CIDs的传播速度为0.85~1.09 km·s^(-1),中心频率约在3.0 mHz或者5.7 mHz附近,为地震声波引起的另一类电离层扰动.逆断层地震引起的CIDs比走滑型地震更加显著,表明地震引起的垂直地表运动在CIDs的形成中起主要作用.三次地震在西南方向均引起显著的CIDs,与地震破裂方向较为一致,该地区大地震引起的CIDs可能具有较为明显的方向性,具体形成机制有待于进一步研究.

一种近实时全球电离层数据同化和预报系统的构建与实现

电离层天气变化正成为目前空间天气预报最重要的内容之一,建立一个可靠的、精确的电离层特征参量现报和预报系统对空间科学研究及军民用无线电信息系统保障均具有重要价值。基于国际GNSS服务组织(International GNSS Service,IGS)的地基GNSS和全球电离层无线电观测站(Global Ionospheric Radio Observatory,GIRO)数字测高仪的实时数据,以国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型为背景模型,采用高斯-马尔可夫-限带卡尔曼滤波同化技术,结合超大规模矩阵稀疏存储与处理方法,在云计算平台上构建完成了近实时全球电离层数据同化和预报系统(near-Real-Time Global Ionospheric Data AssiMilation and forecasting system,RT-GIDAM)。该系统具备了全球电离层TEC和电子密度的近实时(延时约5 min)、较高空间(5°×2.5°)和时间分辨率(15 min)的同化和预报功能,可为空间物理研究及相关无线电系统应用提供数据支撑。

预电离间隙击穿特性及其对中储开关击穿稳定性的影响

紫外预电离中储开关是大型强电磁脉冲模拟装置的关键器件,中储开关预电离间隙击穿特性是影响开关性能的一个重要因素。在N_(2)气压为0.1~0.7 MPa的工作环境中,开展了预电离间隙的击穿特性及其对中储开关击穿稳定性影响的实验研究。预电离间隙的击穿特性实验结果表明,随着气压的增加,预电离间隙击穿电压呈现出不同的变化趋势:间隙距离较短时,击穿发生在预电离间隙钨针和铜电极之间的气体介质中,击穿电压呈现出渐进饱和的趋势;间隙距离较长时,低气压下的击穿发生在预电离间隙中,高气压条件下击穿发生在预电离电极的陶瓷套管表面气体介质中,此时击穿电压几乎不随气压发生变化。在电磁脉冲模拟装置中开展了预电离间隙击穿特性对紫外预电离中储开关击穿特性影响的实验,结果表明,当中储开关内部气压很高时,开关击穿分散性大于低气压区域。该结果可能与预电离间隙在高气压区域时击穿发生在陶瓷套管上有关,该现象导致预电离间隙击穿过早,使得预电离间隙击穿时刻与主间隙波形波峰时刻之间的时间差大于主间隙击穿的形成时延,从而增大了主间隙击穿电压的分散性。

利用VMD-SSA-LSTM的电离层总电子含量预报研究

针对太阳活动影响下机器学习模型对电离层总电子含量(TEC)短期预报精度不高的问题,本文提出了一种基于变分模态分解(VMD)、麻雀搜索算法(SSA)、长短期记忆神经网络(LSTM)的组合模型(VMD-SSA-LSTM),以期提高TEC短期预报精度。利用VMD算法对不同时期太阳活动程度影响下的东、西半球TEC格网点数据分解,利用SSA优化LSTM模型,将分解的TEC样本分量及模型最优初始权值和阈值输入到LSTM模型中,将分量预测序列合并重构,得到电离层TEC预测值。实验表明:VMD-SSA-LSTM组合模型在东、西半球太阳活动强烈、适中、较弱时期的均方根误差分别为0.77、0.56、0.69;0.92、0.76、0.73个TECu,平均绝对误差平均值分别为0.69、0.47、0.56;0.79、0.65、0.58个TECu,平均相对精度分别达到94%、94%、93%;93%、91%、91%以上,残差绝对值分布在0~1个TECu的比例均值分别为75.56%、96.11%、85%;74.44%、80.55%、78.33%,较VMD-LSTM、LSTM两种模型预报精度有显著提升。

基于随机森林回归的电离层幅度闪烁指数预测

为满足低成本、高精度的电离层闪烁监测需求,提出一种基于随机森林回归的闪烁指数预测模型。在卫星导航接收机输出信息基础上,计算电离层结构状态参数,形成输入参数,并进行参数筛选构建训练数据集,结合专用型电离层闪烁监测接收机观测到的闪烁指数,训练生成基于随机森林回归的幅度闪烁指数预测模型。实验结果表明,与传统电离层幅度闪烁指数计算方法相比,随机森林回归模型预测得到的闪烁指数相关性更强、精度更高。

漂浮式海上风电离网制氢联合仿真实验平台

海上风电制氢有助于解决海上风电消纳和远海输电难题,但目前的仿真缺乏海上环境对制氢影响的模拟,限制了相关研究与教学发展,因此亟需开发充分考虑海洋环境载荷的海上风电离网制氢仿真实验平台。该文将风机一体化仿真工具FAST和MATLAB/Simulink电力系统工具箱相结合,实现海上风机与发电机的联合仿真,在MATLAB内部通过设计接口实现电力系统与数学模型的两工具箱的联合仿真,以此构建两软件三工具箱联合的海上风电离网制氢一体化仿真实验平台。仿真结果表明,该平台能实现漂浮式海上风电离网制氢联合仿真,可为海上风电制氢有关研究和实验教学提供有力支撑。

SOI晶体管和电路的瞬时电离辐射效应研究

基于全介质隔离的绝缘硅(Silicon-on-insulator,SOI)器件与体硅器件的瞬时电离辐射效应存在差异,采用1 064 nm/12 ns激光装置开展了三种SOI晶体管的激光辐照试验,测试了不同激光能量下的晶体管光电流;采用脉冲γ射线辐射源开展了SOI集成电路的瞬时γ剂量率辐射试验,测试了不同剂量率条件下的电路功能、电参数和触发器链状态。研究表明:在相同激光能量条件和相同特征尺寸条件下,SOI晶体管的光电流峰值约为体硅晶体管的3.5%;SOI集成电路在1.0×10^(9)~4.2×10^(11) rad(Si)·s^(-1)的试验剂量率范围内无闭锁效应,但存在显著的翻转效应,表现为功能短暂中断、电流和电压波动以及大量触发器状态错误。翻转效应的主要原因包括晶体管本身的翻转和印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)板级电路的电压波动。

SOI高压LDMOS器件氧化层抗总电离剂量辐射效应研究

绝缘体上硅(SOI)高压横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件是高压集成电路的核心器件,对其进行了总电离剂量(TID)辐射效应研究。利用仿真软件研究了器件栅氧化层、场氧化层和埋氧化层辐射陷阱电荷对电场和载流子分布的调制作用,栅氧化层辐射陷阱电荷主要作用于器件沟道区,而场氧化层和埋氧化层辐射陷阱电荷则主要作用于器件漂移区;辐射陷阱电荷在器件内部感生出的镜像电荷改变了器件原有的电场和载流子分布,从而导致器件阈值电压、击穿电压和导通电阻等参数的退化。对80 V SOI高压LDMOS器件进行了总电离剂量辐射实验,结果表明在ON态和OFF态下随着辐射剂量的增加器件性能逐步衰退,当累积辐射剂量为200 krad(Si)时,器件的击穿电压大于80 V,阈值电压漂移为0.3 V,器件抗总电离剂量辐射能力大于200 krad(Si)。

基于改进SFLA-Elman神经网络的电离层杂波抑制方法

针对高频地波雷达目标检测中电离层杂波的干扰问题,提出了一种基于改进混合蛙跳算法优化Elman神经网络预测抑制电离层杂波的策略。为解决混合蛙跳算法初始种群分布不均匀、收敛精度低、易陷于局部极值等问题,引入Cubic混沌映射、莱维飞行策略、非线性平衡因子和复制操作,增强种群多样性,提高算法搜索能力。利用改进后的算法和其他算法分别优化Elman神经网络预测抑制模型,结果表明,改进后的算法无论是在收敛精度和稳定性上,还是在临近距离单元电离层杂波的预测抑制上,都取得了显著的提升。在基本保留目标信号的基础上,平均信杂比较原始回波提升18.52 dB,较原始混合蛙跳算法提升1.08 dB,对于电离层杂波的抑制具有较高应用价值。

基于GPS TEC的2022年1月15日汤加火山喷发激起的电离层行扰分析

2022年1月15日南太平洋汤加海底火山发生剧烈喷发,是近30年来最大规模的火山爆发,产生的强烈大气波动为开展火山喷发电离层扰动研究提供了难得的机会。本文利用GPS数据探测火山附近、新西兰、澳大利亚和中国地区的电离层扰动,从波形、频率、传播速度和时空分布等角度分析汤加火山喷发电离层行扰(TIDs)的特征,并利用电离层测高站、海平面监测站和大气压监测站的观测数据进一步验证TIDs的传播特征。研究结果发现,汤加火山喷发在其附近区域、新西兰、澳大利亚和中国地区引起了3类TIDs。在火山附近东、西、南、北方向上均探测到第一类TIDs, TIDs的传播速度为617~972 m/s,该类TIDs极有可能由火山喷发产生的声波引起。汤加火山喷发仅在火山附近东、西方向引起第二类TIDs,其传播速度分别为472 m/s和418 m/s,可能由声波传播过程中衍生的声重力波或者混合波引起,形成机理有待进一步研究。汤加火山喷发在新西兰、澳大利亚和中国地区引发了第三类TIDs,其传播速度为328~352 m/s,该类TIDs与Lamb波密切相关。

全球电离层峰值参数的季节变化

针对全球电离层峰值参数的季节变化问题,使用2006-2019年COSMIC掩星电离层月均值数据和小波分析方法分析了全球电离层N_(m)F_(2)和h_(m)F_(2)季节变化特征,结果表明:电离层N_(m)F_(2)和h_(m)F_(2)随地方时、季节、纬度存在显著差异,电离层峰值参数均与太阳活动水平表现出正相关性,月均值相关系数分别达到了0.9和0.8以上;正午电离层N_(m)F_(2)在太阳活动高年期间存在显著年、半年等季节变化特征,午夜基本以年变化为主,且南半球电离层N_(m)F_(2)季节变化特征更为明显;正午电离层h_(m)F_(2)所有年份均存在显著年变化特征,午夜期间季节性变化特征不太明显,且南半球电离层h_(m)F_(2)季节变化特征强于北半球;电离层峰值参数的季节变化规律在太阳活动高年期间更为显著;太阳活动指数和电离层峰值参数中似乎存在25~35个月的周期信号,但未通过显著性检验,综合分析研究认为电离层中的等离子体不会受到QBO现象影响.

诺丽多糖对电离辐射损伤小鼠的防护作用及对肠道菌群的影响

目的:探讨诺丽多糖对小鼠电离辐射损伤的防护和肠道菌群的调节作用。方法:将50只KM雄性小鼠随机分为正常组、模型组、诺丽多糖低剂量组、中剂量组和高剂量组,采用医用电子直线加速器进行全身一次性X射线辐照建立急性辐射损伤小鼠模型。观察辐射后小鼠的生存质量,检测辐射后72 h小鼠血清和肝脏组织相关生化指标;通过小鼠粪便的16S rRNA测序分析肠道菌群多样性。结果:诺丽多糖能够改善辐射损伤小鼠的生存质量,提高脏器指数、小鼠外周血白细胞(WBC)数、脾结节数、骨髓DNA含量,降低骨髓嗜多染红细胞微核(MN-PCE)率,提高血清及肝脏中的抗氧化酶过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的活性,降低丙二醛(MDA)含量。与MC组相比,诺丽多糖高剂量组外周白细胞数和脾结节数分别增加了46.85%和38.23%,骨髓DNA含量提高了51.95%,MN-PCE降低率为38.84%,并对辐射后小鼠的氧化应激均有不同程度的改善。此外,诺丽多糖能够促进辐射损伤小鼠肠道菌群向有益于宿主健康的方向生长,同时促进益生菌的生长并抑制有害菌的定植,恢复电离辐射引起的肠道菌群变化。结论:诺丽多糖对X射线所致的电离辐射损伤小鼠具有明显的防护作用,且对辐射造成的肠道菌群紊乱有一定的恢复作用。

基于2016-2018年IGS台网观测的美洲地区的低纬电离层特征分析

基于2016-2018年IGS台网的地基GPS观测数据,反演电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC),分析了美洲地区(300°E)赤道电离异常(Equatorial Ionization Anomaly,EIA)和低纬电离异常(Low-latitude Ionization Anomaly,LIA)随时间、月份和太阳活动的变化特征.结果显示:EIA和LIA的强度均在地方时1300-1500 LT附近出现极大;春/秋季的强度比其他季节的要大;EIA和LIA的强度还随着太阳活动的减弱而减小.EIA和LIA的南-北半球不对称在地方时1700-2100 LT出现极大;夏季(5-8月)的不对称性最为明显.另外,EIA的强度较LIA的强度要大,而LIA的南-北半球不对称特征较EIA的南-北半球不对称特征更为显著.

基于人工神经网络的东亚电离层临界频率f_(o)F2长期变化趋势

利用人工神经网络对东亚中纬地区电离层台站观测的F2层临界频率f_(o)F2进行长期趋势研究.用F107、Ap、地方时(Local Time,LT)、月份(Month)作为输入神经元,分别表示太阳活动、地磁活动、日变化和季节变化;用f_(o)F2的月中值作为输出神经元,通过训练网络获取f_(o)F2预测值,对预测值和观测值进行计算和处理,得到东亚中纬地区f_(o)F2长期变化趋势.结果表明:人工神经网络的方法较常用的回归方法能更有效地消除地磁活动对f_(o)F2的影响;这些站点的f_(o)F2随着年份的增长存在明显的长期负趋势,无明显的日变化和统一季节变化性.这对于全球电离层结构和运动变化规律,全球电离层经验模型构建和同化以及电离层特征参数和结构预测具有重要意义.