基于深度卷积神经网络的频高图特征提取研究

本文提出了一种利用深度卷积神经网络的频高图特征提取方法,在频高图不同层回波信息标记的基础上,构建包含降采样部分和上采样部分的频高图回波识别网络模型,实现了频高图不同回波信息自动识别.利用试验获取的频高图数据,通过人工对频高图中电离层不同层的回波信息分别标记,生成网络模型样本数据集.以随机方式,选取样本数据集80%的数据作为训练数据,其余数据作为测试数据.经网络模型训练和测试,结果显示网络模型能够自动有效地识别测试频高图中不同层的回波信息.在此基础上,结合数字图像处理中的腐蚀算法和连通域思想,针对性地设计滤波器,滤除已识别回波信息中的噪声、干扰、多跳回波,能够实现测试频高图特征参数的有效提取.并且通过与传统方法比较,该方法特征提取精度整体上优于传统方法,可为频高图特征的自动、精确提取提供一种新的技术方法.

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.

高精度多普勒频高图的获取和分析

电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动的一个重要参数.在数字测高仪探测中,高分辨率的多普勒频移一般在漂移测量中获得,但这种测量方式探测的频点少,不能获得扰动的高度剖面;而在频高图模式下,虽然工作的频点多,能够获得电子浓度的高度剖面的信息,但探测的多普勒频移的分辨率低,无法用来精确检测电离层扰动.实际的电离层高频回波一般为窄带信号,由此本文中提出了一种新的分析方法,利用DGS-256数字测高仪频高图模式下记录的16个多普勒通道的数据,通过反傅里叶变换还原成时域信号,采用最小二乘法估计相邻时间点的相位差,获得高精度多普勒频高图.作为实例,利用该方法分析武汉电离层观象台数字测高仪观测站的观测数据,得到了多频点的多普勒频移曲线.结果表明:在DGS-256数字测高仪频高图模式下能够得到高精度多普勒频高图,这在电离层扰动探测和研究中很有意义.

基于BP神经网络的电离层频高图F层参数自动度量方法

为了改进传统的电离层频高图手动度量方法,提出了基于BP神经网络的数字频高图F层自动度量方法,该方法首先采用阈值去噪、多次回波和泄漏去除,并使用A45方法将频高图转换成单元点;然后采用BP神经网络的自适应训练拟合单元点图获取O波和X波F层描迹;最后根据描迹斜率变化寻找F1和F2层的分界点以及采用曲线拟合技术补偿F2层临界频率区域完成参数判读.该技术应用于中南民族大学新研制的数字测高仪测量的频高图自动度量中,获得了初步结果,度量的foF2和h'F2准确率分别达到81%和78%,结果表明:该方法具有较好的可靠性.

日本电离层频高图转换方法研究

为了从日本电离层频高图中准确地获取特征参数和电子密度剖面,提出了利用数字图像处理等技术对频高图进行转换的方法。该方法是利用Radon变换、最大类间方差法和连通分量标记法等对频高图进行滤噪优化和格式转换。利用该方法开发出频高图批量处理软件,并结合SAO Explorer软件对日本Okinawa地区的频高图进行电离层特征参数的提取和电子密度剖面的自动度量实例分析,通过对转换前后特征参数f0F2的统计分析得到可接受率分别为52.1%和90.1%。结果表明,该方法具有较高的可靠性和精确性。

由频高图换算峰下电子密度剖面同IRI—86电离层剖面之比较

本文介绍了国际通用的峰下电离层频高图换算方法——POLAN。对武昌电离层垂直观测站(114.35°E,30.57°N)选择了一些典型的时间频高图合成中值频高图后用 POLAN 进行剖面换算,将所得剖面同国际参考电离层 IRI—86给出的密度剖面进行了比较。结果表明,换算所得峰下剖面同 IRI—86计算剖面不完全一致。

频高图Es层回波的自动识别

提出了一种基于决策树算法的自动识别Es层回波的方法以提高Es识别效率.通过自适应二值化以及中值滤波算法对频高图进行预处理,并提取有效的Es回波区域.利用Es层在虚高轴分布的规律,通过图像投影的方法选择出特征,将这些特征以及时间信息作为决策树算法的输入;通过人工识别方式为每幅频高图标明是否存在Es回波的标签,与决策树算法的输出进行比较.对训练集进行训练、剪枝,获取最接近人工识别结果的决策树,使用测试集对获取的决策树进行测试验证.本文使用云南普洱站(22.7°N,101.5°E)记录的频高图数据作为训练集,分别使用云南普洱站(22.7°N,101.5°E)和四川乐山站(29.5°N,103.7°E)的频高图数据作为测试集对该方法进行测试验证,结果表明该方法对普洱站和乐山站两地Es二跳回波的识别均具有较高的准确率,分别达到84.2%和82.8%.

垂直探测频高图的反演

文章给出一个关于垂测频高图反演的简单方法。这个方法仅需从电离图中每个描迹上各取三个数据点,即可获得抛物模式电离层的参数。这个方法用一些模型例子进行验证,表明方法是正确的。文中还就方法的实用性进行讨论。

利用微机对电离层频高图读图及月报表的自动处理

前言电离层是近地环境的一个重要层次,目前对它的研究方法主要是地面垂直探测,然后在胶片上记录下回波描迹,即频高图。从频高图上可以读取电离层的十四个特征参数:f_0F_2,h′F2,M(3000)F2,f_0F1,h°F,M(3000)F1,f_0E,h′E,f_0E_(?),h′E.,E.TYPE,f_bE.,f_(min),f_x1。再将这些参数位制成月报表,供研究人员使用。以前判读频高图和制作月报表是靠人工完成,工作量大,规则多,容易出错,精度较差。为此,我们研制了这套程序。它利羽微机控制,从原始频高图的判读,直到做出月报表,除人工识别参数输入外,基本上实现了全套自动化,大大节省了人力,提高了读图的精度和计算的准确性。

利用数字频高图估算总电子含量

在数字频高图换算电子浓度剖面的基础上，利用卡普曼函数拟合法建立模型电离层。该模型经适当修正，即可求出任意时刻电离层总电子含量。然后，用同一地点非相干散射雷达观测值以及国际参考电离层模型分别对本方法进行检验。结果表明，这种修正模型相当有效，据此推算的总电子含量与雷达实际观测值十分接近。

电离层频高图数据处理系统

本文介绍了Apple-Ⅱ微机与IPS-42探测仪的接口电路,数字式频高图数据的采集、存储、显示、定标和综合处理的程序设计,以及实际应用结果。

频高图扩展F的自动识别

扩展F(Spread F)是电离层中常出现的一种等离子体不规则结构,其产生与发展涉及等离子体不稳定性等复杂的物理过程。随着获取的频高图越来越多,自动识别存在的扩展F频高图可以有效提高对扩展F理论研究的效率。提出一种基于图像处理技术的扩展F自动判读方法,首先通过自适应二值化以及空域滤波进行噪声处理,其次利用描迹斜率变化以及图像投影的算法获取F2层参数,最后根据扩展F的形态特征对每个频点对应的信号点的数目进行统计来自动判读扩展F。该自动判读方法的运行速度快,简单易实现。使用云南普洱站记录的夜间频高图对该方法进行测试,结果表明该方法对存在扩展F的夜间频高图的判读具有较高的准确率。

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.

一种提取频高图中O波描迹新方法

垂测仪是研究电离层中最常用的仪器之一,目前各国在世界范围内布设了大量的垂测仪来对电离层进行常规观测.而这些垂测仪每天都会记录大量的频高图数据,因此自动度量频高图算法的研究则成为如何高效利用大量频高图数据来研究电离层的重要基础.由于频高图中O波描迹的提取,对于研究不同电离层高度反射回波的扰动特征具有重要的意义,因此本文提出一种新方法用于从频高图中自动提取O波描迹.该方法基于滑动窗口和图像投影技术,首先确定O波和X波描迹的交叉点,然后在此基础上利用O波X波在频高图中的不同分布特征,单独提取出O波描迹,并利用局部加权回归算法对提取的描迹进行拟合.通过云南普洱站记录的频高图数据对该算法进行验证,将自动提取的描迹与人工提取的描迹进行对比,可接受的比例大约85.3%.对比结果表明本文提出的算法能够较好的提取频高图中的O波描迹.

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.

用于高频回波探测的小型环天线的设计与应用

为了节省研发成本,缩短研发周期,方便电离层流动观测,设计了可用于1MHz^30MHz电离层回波探测的环天线,对该天线进行了辐射性能的仿真和天线阻抗的测量,设计了有源天线的前端信号放大电路。配合通用软件无线电平台USRP,组成了电离层高频回波探测系统,电离层扫频回波探测实验结果显示该天线能够宽频率范围工作,具有应用价值。

基于银川电离层垂测仪电子浓度反演的一次强电离层暴观测

根据银川电离层垂测仪的回波数据,采用脉冲压缩技术,使用Bernoulli映射序列对发射信号进行编码,解决实际探测中回波信号混合强杂波干扰的问题,从而获得高质量频高图.为从图中提取电离层的关键信息,将信号处理问题转换成计算机视觉中的语义分割任务,构建原始频高图数据集,并进行离散化和人工标注等预处理.通过训练c GAN神经网络分析得到频高图中各层回波的特征参数,达到分割不同描迹的目的.采用改进式国际参考电离层底部反演模型和NeQuick顶部模型对垂测仪上空的电子浓度剖面进行反演,根据张衡一号卫星的实测数据对顶部的计算结果进行修正.通过将计算得到的总电子浓度与CDDIS公开的数据结果对比,验证了垂测仪数据的准确性.在此基础上,结合高沙窝磁通门的地磁数据,垂测仪于2023年4月23-24日的大地磁暴期间成功观测到电离层异常变化的全过程并给出了总电子浓度变化结果,为探究中国西部电磁环境变化提供准确可靠的观测数据.

北京地区电离层Chapman标高的统计分析

利用F2层峰值处的Chapman标高Hm可以构建电离层顶部的电子浓度剖面.本文通过对北京站(40.3°N,116.2°E)从2010年1月到2014年5月的电离层频高图人工度量后获得了F2层峰值处的Chapman标高Hm,分析研究了Hm随周日、季节和太阳活动变化,并探讨了Hm与F2层特征参数foF2、hmF2以及IRI底部厚度参数B0的相关性.研究表明,(1)北京地区标高Hm的周日变化明显,在正午左右有最大值,夏季和春秋季的最小值出现在午夜左右,而冬季有两个谷值,在日出后和20∶00LT左右;Hm在日出前有较小的增加,但不是很明显;(2)白天标高Hm有明显的季节变化,夏季最强,冬季最弱,而夜间的季节变化较小;(3)Hm随太阳活动的增强而增大,地磁扰动会引起Hm偏离正常水平;(4)Hm与hmF2相关性很弱,但白天和夜间各自的相关性较强,并且夜间大于白天;Hm与B0有很强的相关性;(5)由IRI2012给出的B0与Hm在冬季的相关性很小,表明IRI模式还需要进一步改进.

一种数字电离层测高仪系统中O波与X波的分离方法

电离层测高仪系统中,O波与X波的分离非常重要.本文提出一种新的O波与X波分离的实现方法,根据电离层回波的极化特性,通过在接收电路上采用数字方法合成圆极化波的方式,实现了对O波与X波的有效分离.与现有DPS-4测高仪系统采用模拟域电信号合成圆极化波的方法相比,本文方法通过在数字下变频处理过程中引入±90°相移,消除了在模拟域电信号合成方法中相移器的带宽限制和非线性问题.另外,该方法在实现发射和接收信号的极化状态转换时不需要连续切换多个模拟开关,从而提高了整个系统的稳定性.