基于电离层层析成像技术探测汶川地震前电离层异常

以2008年5月12日汶川Ms8.0地震为例,利用电离层层析成像技术重建了震前5月8—10日震中附近上空电离层的电子密度分布(UT9:00),发现5月9日出现电离层异常,且该异常在时空上与同一时段的电离层VTEC异常分布结果一致(排除空间天气活动对电离层造成的可能干扰后),认为该异常即是地震的电离层前兆信息。研究表明:电离层层析成像技术在地震预测研究领域有广阔的应用前景。

一种改进的电离层层析成像算法

针对电离层层析成像算法中确定相位积分常数以及合理选择迭代初值等关键问题，本文提出一种联合使用差分多普勒相位和差分多普勒频率数据的新算法，将相位积分常数的计算以及迭代初值的确定与图像的重建过程统一起来．该算法克服了单独计算相位积分常数的困难，初值的选择也较为合理，数值模拟反演与对实测数据反演的结果证明，本文提出的算法对电离层ＣＴ重建更为合理有效．

电离层三维层析成像的自适应联合迭代重构算法

在电离层层析成像过程中,联合迭代重构算法是一种常用的反演算法.然而,该算法迭代收敛较慢,反演结果精度不高.为此,本文发展了一种自适应的联合迭代重构算法,该算法利用上一轮的电离层电子密度反演结果,自适应地调整松弛因子和加权参数.通过模拟数据和实测数据对该算法的反演结果进行了验证,并将得到的反演结果与电离层测高仪数据进行了比较,结果表明,该算法能够有效地反演电离层电子密度,且反演结果精度优于常用的联合迭代重构算法.

一种基于截断奇异值分解正则化的电离层层析成像算法

提出了一种基于截断奇异值分解正则化(Truncated Singular Value Decomposition,TSVD)的电离层层析成像算法.该算法选择球谐函数与经验正交函数作为表征电离层电子密度空间变化的基函数,以降低背景模型对层析成像的影响;利用广义交叉验证法来选择合适的截断参数,提高了算法的稳定性和反演精度.基于中国区域23个观测站的电离层层析成像仿真结果表明:与乘法代数重构算法(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique,MART)相比,基于TSVD正则化的电离层层析成像算法能够在不需要背景电离层电子密度作为先验条件的情况下,实现电离层电子密度的有效反演.

一种基于LEO卫星信标的电离层层析成像新算法

LEO卫星信标是电离层监测的重要手段之一.利用电离层层析成像算法,LEO卫星信标能够实现区域电离层电子密度的快速重构.针对LEO卫星信标的特点,本文提出了一种函数基模型与像素基模型组合的电离层层析成像新算法.选择差分相对电离层总电子含量作为输入数据源,先通过函数基模型法获取电离层电子密度初始分布,再利用像素基模型法对初始分布进行二次迭代重构,该方法可有效降低电离层层析成像对背景电离层模型的依赖,同时能够实现电离层小尺度扰动结构的有效反演.利用数值仿真方法及低纬度电离层层析成像网的实测数据的反演结果验证了本文提出的新算法的可行性和可靠性.

地基GPS与掩星联合的电离层层析成像方法研究

由于有限视角、稀疏布站等原因,地基GPS电离层层析成像存在垂直分辨率不高的问题,联合掩星进行电离层层析成像是一个重要的解决途径。一方面地基GPS观测能保证电离层层析成像的时间连续性和区域覆盖性;另一方面由于掩星信号能够提供地基GPS没有的水平射线信息,提升了电离层层析成像的垂直分辨率水平。利用地基GPS站与COSMIC卫星的掩星观测进行的仿真结果表明:与仅利用地基GPS相比,联合掩星进行电离层层析成像,不仅在电离层电子密度反演精度方面有明显提升,而且在电离层F2层峰值高度(hmF2)和电离层总电子含量(TEC)的精度方面同样有明显提高。

时变三维电离层层析成像重建公式

基于GPS信标观测数据重建电离层电子密度的时变三维电离层层析问题的数学基础 ,在简化电离层电子密度随时间变化的条件下 ,导出了三维平行束层析重建公式 .在二维情况下 ,本文导出的三维平行束层析重建公式与Yeh等给出的二维电离层层析重建公式相同 .文中还讨论了有限视角和有限接收机孔径对重建图像的影响 .根据文中给出的三维平行束层析重建公式 ,在这些非理想条件下 ,对一个脉冲源函数进行CT重建的结果表明 ,基于GPS信标观测数据重建电离层电子密度的时变三维电离层层析是可行的 .

电离层层析成像的一种改进算法

针对电离层层析成像算法中合理选择迭代初始值的问题,提出了一种联合使用乘法代数重建算法和最速下降法的改进算法,将迭代初始值的确定与图像优化重建过程进行统一,克服了乘法代数重建算法对迭代初始值的敏感,初始值的选取较为合理.数值模拟反演结果表明,相对于乘法代数重建算法,该算法有效地提高了电离层层析成像质量.

电离层层析成像及数值模拟

利用正则化反演法,对电离层层析成像技术进行了数值模拟.模拟结果表明,正则化反演法能够准确反演出电离层赤道异常的电子密度分布.对正则化反演误差的原因进行了分析,定义了代表重建结果精度的参数并研究其随信号数量的变化,结果显示造成反演误差的主要原因是信息量不足,在提供充足的数据条件下,正则化反演法能够得到很高精度的重建结果.数值模拟实验进一步证明了电离层层析技术在反演电离层电子密度分布中有很大的应用价值.

一种联合地基GNSS和测高仪数据的电离层层析成像新算法

电离层层析成像(computerized ionospheric tomography,CIT)技术是获取区域大范围电离层三维结构非常重要的手段之一.针对单独使用地基GNSS进行三维CIT的不足,提出了一种联合地基GNSS和测高仪数据的三维CIT方法,其综合了测高仪探测电离层垂直分辨率较高和地基GNSS水平分辨率较高的优点,以测高仪数据驱动更新IRI模型,将更新后的IRI模型作为背景电离层模型,再利用改进的代数重建迭代(algebraic reconstruction technique,ART)算法结合地基GNSS TEC数据进行CIT;基于IGS、中国陆态网地基GNSS台站及全球电离层无线电观测网(global ionospheric radio observatory,GIRO)测高仪数据实现了中国及周边区域三维CIT,分别采用Madrigal TEC数据和中国区域独立的测高仪数据对CIT获取的TEC和电子密度进行评估.TEC精度评估结果表明,CIT算法的TEC平均误差和标准差相比IRI模型及CODE GIM数据均有明显降低;电子密度评估结果表明,单纯依赖地基GNSS进行CIT可以提升foF2的精度但无法有效提升hF的精度,而联合测高仪数据后,电离层foF2和hF的重构精度均有明显提升,其中hF的平均误差和标准差从20.6 km和16.5km下降为14.8 km和11.7 km,说明测高仪数据对CIT垂直分辨率的提升作用明显.

基于空间电离层环境层析成像测量仪的地震电离层扰动监测系统设计

为了更好地开展地震电离层扰动监测和异常信息提取研究,基于空间电离层环境层析成像测量仪研制了地震电离层扰动监测系统,包括小区域监测站网和监测软件系统.该监测系统产出空间分辨率1°×1°的电离层总电子含量(TEC)、F2层最大电子密度(N_(m)F_(2))和F2层峰值电子密度对应高度(h_(m)F_(2))二维分布图,对扰动异常超过10%的事件进行报警提示.实现了空间电离层层析成像测量仪在地震电离层监测领域的示范应用,并为其进一步推广应用提供了技术基础.

基于BDS/GPS数据的中国及周边地区电离层暴层析成像研究

随着我国BDS的逐步建成,其在电离层监测上的应用也在逐步拓展.凭借卫星类型多样性的特点,BDS卫星数据在电离层监测上可能比GPS卫星带来更多的优势,但能否改进电离层层析成像结果仍值得进一步研究.文中基于GPS数据电离层层析算法,把BDS中的地球同步轨道(geosynchronous orbit,GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星和中轨轨道(medium earth orbit,MEO)卫星数据与GPS数据融合,对2017-09-07—09电离层暴期间中国及周边地区(15~55°N,70~140°E)上空电离层进行重构.首先借助SA418和WU430测高仪数据分别讨论了单星座(GPS)与双星座(GPS+BDS)层析对电子密度反演的精度结果;其次对2017-09-08两个扰动最强烈时段的电离层成像结果,包括电子密度剖面图与总电子含量(total electron content,TEC)分布图进行深入研究.研究结果表明:BDS卫星数据不仅可以改进垂向精度,还可以提高对电离层异常结构的反演精度,融合了BDS数据的电离层层析技术能较为准确地重构出本次电离层暴期间出现在中低纬度的等离子体泡.

一次中强磁暴期间低纬电离层响应的CT成像

为考察赤道异常区电离层对中等强度磁暴的响应特性，用电离层ＣＴ成像方法重建电离层电子密度二维剖面．重建结果表明，暴时低纬电离层电子密度以降低为主，但暴相随纬度和高度而异；磁暴期间，赤道异常峰结构仍然存在，但恢复相期间峰的位置向赤道移动；磁暴急始之后约２０ｍｉｎ，在赤道异常峰区出现电子密度深度耗空，这种耗空遍及从底到顶的整个Ｆ区，朝赤道一侧显现水平梯度非常大的陡壁．这种与磁暴急始相联系的电子密度深度耗空现象很有意义，值得进一步研究．

低仰角射线对电离层CT成像的影响分析

电离层层析成像(Computerized Tomography,CT)是一个有限视角问题,水平射线的缺失造成CT结果垂直分辨率的严重下降.很多人直观地认为低仰角射线可以弥补水平射线的缺失,然而本文的理论分析和数值模拟研究结果表明,低仰角射线对CT结果的影响十分微小,其无法弥补水平射线缺失所带来的垂直分辨率的下降.模拟结果显示,增加低仰角射线前后CT反演结果几乎没有变化;而去掉680条低仰角射线和高仰角射线后,CT反演结果差别巨大;去掉680条低仰角射线的CT结果与模型吻合很好;去掉680条高仰角射线的CT反演结果失真严重,几乎无法恢复模型的扰动特征.

多频卫星信标的电离层剖面成像(CT)原理(英文)

实时了解整个电离层的结构和扰动的时空分布,是当前空间技术和现代通信等工程的需要,对研究日地系统的整体行为和电离层的地区、全球分布特性,也具有重大意义。最近,刘兆汉教授等指出,利用VHF卫星信标的多站TEC观测,有可能对电离层进行成像,这是一种很好的想法。但由于对VHF电波,观测量只有TEC一种参量,成像的清晰度和分辨率受到很大限制。作为对TEC成像技术的改进,本文中提出一种多频HF/VHF卫星信标的方案。在这种方案中,利用极轨卫星搭载的发射机发射一组HF/VHF的多频信号,在地面多站接收并测量这些信号的群时延、相位和偏振等参量,根据我们新近提出的HF反演原理,利用多站多频信标的各种可测参量,通过反演获得各观测平面内电离层的结构和扰动的时空变化,对整个电离层的结构进行剖面成像(CT)。下面我们着重讨论这种电离层无线电CT技术的基本原理。 当电波频率大于临频时,电波有可能穿透电离层传播。当电离层中存在重力波扰动时,其传播特性可归纳如下: 1、除电波频率接近临频、且卫星天顶角又很大的情况之外,电波的空间轨迹基本上位于卫星至地面接收站之间的连线上,随频率的变化很小,波矢的方向也几乎与轨道平行。因此,在新的多频信标探测中,一般可以不考虑射线的折射效应。 2、由于电波路径上各部分扰?

电离层CT数据采集和图像重建

介绍低纬电离层CT实验所使用的数据自动采集系统并提出一种电离层CT算法。在数据采集过程中引入了GPS标准时间 ;重建算法的特点是利用差分多普勒频率数据避免了相位积分常数的计算 ,提高了对较弱的电离层扰动和不规则结构的检测能力。数值模拟反演结果表明了该算法对电离层CT重建的有效性 。

基于选权拟合法的电离层电子密度层析重构

附加约束的电离层层析算法是解决电离层电子密度反演中不适定问题的主要方法,为避免此类方法中约束权阵的选取不当对电子密度分布重构产生的不良影响,本文将选权拟合法应用到电离层层析成像技术中.该方法特别设计了依据电子密度空间分布特性构造参数权矩阵的方案.新方法有明确的物理意义,挖掘了隐含的信息量,为解决电离层电子密度反演中由于观测数据的不足等因素引起的不适定问题提供了一种新途径,可以得到符合客观实际的结果.数值模拟实验和实测数据的反演结果证实了该算法有效性、可靠性和优越性.

数字钻孔摄像与钻孔CT层析成像测试试验

数字钻孔摄像从侧视视角对整个钻孔的360°孔壁进行连续摄像,通过图像特征对孔内地质现象进行定性描述和定量分析,具有高分辨率、高井壁覆盖率和直观可信等特征;而钻孔CT层析成像利用弹性波波场特性,获得声波在不同介质中传播速率,从而反映井间地质体的几何形态和物理特征。将这两种勘测手段联合能够发挥很好的互补性作用。数字钻孔摄像能够提供直观精确的孔壁全景图像,为钻孔CT层析成像测试结果提供佐证;而钻孔CT可延伸钻孔摄像的二维信息,对地质构造在钻孔间的发育情况进行三维空间上的分析。提出这样一种联合测探手段,并在一定向钻工程勘测中对其可行性进行试验,从而为进一步地质空间模型的建立提供实际支持。

仿CT扫描模式扩散荧光层析成像方法

为了实现高灵敏度、高空间采样密度的扩散荧光层析成像，提出了一种基于光子计数技术的仿CT扫描模式的成像方法．光源经过准直后入射到仿体上，光电倍增管探测得到光源同一水平面101．25°～258．75°均匀分布的8路探测信号．按照与CT相似的方式，系统旋转仿体以实现对仿体的0°～360°扫描，采用光子计数方式采集多个光源入射角下多个探测位置的光子数信息，获得的大量数据可降低重建过程的病态性，使重建结果更加准确．仿体实验证明，对于荧光剂Cy5．5的探测可以达到2nmol／L左右的浓度和边对边距离5mm的空间分辨率，增加空间采样密度可以提高系统的灵敏度和分辨率．

基于GPS的中国区域电离层层析反演结果分析

针对电离层单层模型不能反映电离层垂直结构的特点,利用层析成像方法和2003年中国地壳运动监测网络提供的双频GPS载波相位数据,反演中国区域上空电离层电子密度年变化的时间序列值,分析中国区域上空电离层电子密度的周日变化特性,并研究其在垂直方向上的变化特性以及赤道异常结构的发展和消亡过程;同时讨论了利用GPS资料反演中国区域电离层电子密度所存在的困难和需要进一步解决的问题。