基于Lomb-Scargle算法的激光扫频干涉非线性校正方法

激光扫频干涉测量技术因其精度高、抗干扰能力强等优势成为研究热点.而激光器调频的非线性问题一直是影响测量精度的关键因素,非线性带来的直观结果就是拍信号的频谱严重展宽,造成测距精度下降.为解决该问题,本文提出了一种基于Lomb-Scargle算法的非线性校正方法,搭建了具有辅助干涉仪的激光扫频干涉测量系统,通过对辅助路拍信号进行希尔伯特变换提取相位,再基于提取到的相位信息生成一个新的时间序列,结合Lomb-Scargle算法,将非线性校正与拍信号频率计算同时进行.作为验证,对于0.5—1.3 m范围内的目标进行了测量,最大误差为14μm.区别于传统频率采样法校正原理,本文提出的校正方法并不是以辅助路的拍信号对测量路进行重采样,所以无需满足辅助干涉仪光程差大于测量路光程差两倍的条件,因而可为增大测距量程提供一种思路.

Lomb-Scargle周期图法在GDP预测中的应用

文章首次将天文学领域的Lomb-Scargle周期图法应用到GDP预测中,发现并提出了“GDP指数拟合增长波动率周期”,建立了结合Lomb-Scargle周期图法的指数预测模型,利用1978~2004年的GDP数据采用上述模型预测我国2005~2009年的GDP,并与其他文献所建模型的预测值进行比较,预测精度明显提高,证实了所建立模型在GDP预测中的有效性。

基于Lomb-Scargle谱分析的分析中心GPS精密产品特性分析及修正

考虑到国际GNSS服务(IGS)提供的精密产品相对于全球大地测量观测系统(GGOS)时空基准准确度1 mm的要求仍存在量级差异,采用Lomb-Scargle谱分析算法分析了GNSS各分析中心精密产品与IGS最终精密产品之间的系统性偏差、周期性偏差,并在此基础上基于最小二乘法建立了偏差修正模型用于精密参数的修正.偏差修正结果表明,修正后卫星钟差标准差平均减小15.4%,卫星轨道径向标准差平均减小33.3%,卫星轨道径向与钟差综合偏差的标准差平均减小24.0%,同时空间信号测距误差也从cm量级降低至mm量级.15个测站的定位验证结果表明,偏差修正后使用单分析中心精密产品的定位误差与使用IGS最终精密产品定位误差的一致性有所提升,3个分析中心的定位误差一致性平均提升比例为14.3%,证明了该偏差修正模型能够有效提升GNSS各分析中心精密产品与IGS最终精密产品的一致性.

基于Lomb-Scargle算法的中山站高频雷达目标回波的周期性特征研究

本文利用Lomb-scargle周期图算法对中山站高频雷达探测的极区中层目标回波信号的时间序列进行了周期性分析和研究。结果表明,在不同年份探测的极区中层目标回波中,均出现了显著的半日周期分量,且其置信度均大于99%。本文的工作为中山站高频雷达探测极区中层目标回波的运行模式提供一定的参考。

SS 433的周期性X射线光变研究

SS 433是目前为止唯一一个被同时检测到轨道周期、超轨道周期和章动周期且存在双向螺旋状喷流的X射线双星系统,通过研究它的X射线光变将有助于理解系统的动力学过程及与其他波段的相关性.利用Lomb-Scargle周期图法(简称LS周期图)和加权小波Z变换法(Weighted Wavelet Z-transform,WWZ)对SS 433的Swift/BAT(Burst Alert Telescope)(15–50 ke V)和RXTE/ASM(Rossi X-Ray Timing Explorer/All-Sky Monitor)(1.5–3,3–5和5–12 ke V)光变曲线进行周期提取,并对得到的周期成分进行蒙特卡洛仿真.其中15–50 ke V能段:检测到5个较强的周期成分P_1(～6.29 d)、P_2(～6.54 d)、P_3(～13.08 d)、P_4(～81.50 d)和P_5(～162.30 d);3–5和5–12 ke V能段:都检测到P_3(～13d)和P_5(～162 d)的周期成分;1.5–3 ke V能段:未检测到任何明显的周期存在.3–5、5–12和15–50 ke V能段的功率谱上最强的周期信号均为P_5,且P_5与之前对光学光变曲线研究得到的结果一致,结合SS 433的螺旋形射电喷流,推测周期为～162 d的X射线和光学波段光变与相对论性喷流的进动有关,X射线与光学光变周期的一致性也表明两个波段的辐射机制有内秉联系.P_3与之前研究中检测到的系统轨道周期(～13.07 d)一致,P_2和P_4则分别为P_3和P_5的一个高频谐波成分.P_1成分仅在15–50 ke V能段的功率谱中被检测到,且它与系统的章动周期一致.随着能段能量的降低(硬X射线到软X射线),所检测到的周期成分却越来越少,这一结果很好地印证了高能段(硬X射线)辐射主要来自于喷流,低能段(软X射线)辐射则可能是由双星系统周围的介质主导.通过分析得到的多个X射线光变周期,为今后SS 433的多波数据分析、系统的动力学机制等研究提供有力的参考依据.

基于GPS信噪比数据观测海平面变化研究

近年来,GPS-R技术已发展成为一项监测地球环境变化的新技术。首先推导了GPS-R技术观测海平面变化的原理公式,接着描述了利用GPS信噪比(SNR)数据反演水位变化的处理流程,最后利用IGS站SC02的数据,基于自主研发的数据分析软件,反演了该站长达14年的海平面变化时间序列。通过与该站附近的验潮站数据进行对比,两者表现出很好的一致性,相关系数高达0. 96,两者较差的RMS为8cm。研究结果进一步验证了基于GPS信噪比数据监测海平面变化的可行性和可靠性。

4FGL J0252.8-2219的γ射线光变周期分析

利用时间序列Lomb-Scargle周期图分析法,分析了平谱射电类星体4FGL J0252.8-2219在MeV和GeVγ射线能段的光变曲线,结果表明该源在γ射线波段存在准周期震荡现象,MeV和GeV能段的最概然周期分别为458.01 d和434.26 d.

GNSS多径信号模型及测高方法

提出利用全球导航卫星系统反射信号的干涉方法(GNSS-IR)进行测高。深入分析全球导航卫星系统反射信号的多径信号模型(GNSS-MR),在此基础上提出单天线测高模型,旨在获取多径信号信噪比(SNR)频率信息,从而反演出高度信息。Lomb-Scargle(LS)谱分析方法是单天线测高模型中常用的频率提取方法;提出了基于解析模型拟合的方法对多径信号信噪比数据提取频率,同样可以准确获取频率信息,从而反演出天线到地面的高度。在此基础上,讨论了单天线测高的最大测量高度和接收机需要满足的最小输出率。由实验数据分析得出:传统LS谱分析方法和拟合法在反演效果最优时,即LS谱分析方法在高度角上限为17°时,均方根误差为0.028 75 m;拟合法在高度角上限为21°时,均方根误差为0.024 85 m。通过比较不同高度角上限的均方根误差,可以获得最优化的高度反演条件,同时也表明了拟合法的可行性。

GNSS坐标时间序列周期项自动提取方法

针对目前对坐标时间序列周期项探测的方式受噪声和旁瓣的影响较大,且不利于大规模数据处理的问题,提出了一种基于显著性水平的周期项自动探测识别方法,并利用仿真数据验证了其性能。然后利用该方法对全球分布的1 082个测站的坐标时间序列进行了周期项提取。研究结果表明,该方法能够在噪声和旁瓣的影响下实现对潜在周期项的自动探测和提取,并且具有良好的性能。在仿真实验中,当信噪比为-10 dB时仍具有70%的准确率。而通过对N、E、U这3个方向的实测数据的周期项进行提取,发现在全球范围内具有共性的周期项除了周年项和半周年项,还有时间跨度为120、88、71、59、50和14 d左右的周期项。这与相关学者的研究结果一致,证明了该方法的实用价值。

IRI2016参考电离层模型在高度60～100km的精度分析

60~100 km低电离层对无线电传播、测量具有重大影响。IRI2016作为目前最新的国际参考电离层模型,研究其提供的电子密度在高度60~100 km的精度具有重要实际意义。本文以廊坊中频雷达(位于中纬度地区)提供的电子密度资料(2014—2016年)为基准,利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差和Lomb-Scargle周期图方法,定量分析了IRI2016模型电子密度在中纬度地区60~100 km高度范围内的精度特征。结果表明,在中纬度地区60~100 km高度范围内:①电子密度偏差、绝对差、相对偏差与季节有密切关系,在高度86~100 km,随高度增加均快速增大;相关系数同样与季节有密切关系,但随高度增加表现出增大、减小的交替变化特征;②IRI2016模型电子密度精度与太阳活动、地磁条件有关,在太阳活动低年、磁宁静条件下的电子密度精度最高;③中频雷达和IRI2016模型电子密度在82~84 km均显著(通过90%显著性检验)含有准全日潮汐波、准8 h重力波,同时IRI2016模型还显著含有准半日潮汐波,而中频雷达未显著含有准半日潮汐波;在86~92 km均显著含有准全日潮汐波、准半日潮汐波,无准8 h重力波;④中频雷达、IRI2016模型电子密度在同一高度层显著含有的波周期及功率谱存在差异,不同高度层之间显著含有的波周期及功率谱也存在差异;⑤对于高度82~92 km的中频雷达、IRI2016模型电子密度变化特征,准全日潮汐波均为主要作用,准8 h重力波在82 km为次要作用,而准半日潮汐波在86~92 km为次要作用。

GPS-MR海平面高度反演的多因素影响分析

为了探究GPS卫星频段、高度角范围、海平面风速和潮位差等因素对GPS-MR海平面高度反演的影响,利用美国大陆板块边界观测计划(PBO)的GPS观测数据进行实验,并与美国海洋和大气局(NOAA)提供的验潮站数据进行验证。结果表明,对于该GPS测站,选择5°~15°的高度角区间、信噪比较高的L1频段时反演精度最优,均方误差为0.14 m,相关系数为0.96;合适的高度角区间(5°~10°)能有效增加反演个数,且该方法受风速和潮位差影响较小。因而,GPS-MR海平面高度反演方法可以作为海平面高度监测的有效补充。

库区GNSS-R精细化反演水面高度及其验证研究

全球卫星导航系统(GNSS)反射测量技术的出现,为高时空分辨率水位监测提供了一种新的解决方案.尤其在我国,大中型大坝、库岸高边坡大多建立了GNSS变形监测系统,为全球卫星导航反射信号(GNSS-R)技术监测水位提供了不需重复建设的硬件设备与丰富的数据资源.以GPS信噪比(SNR)数据为观测量,详细推导了卫星反射信号反演水面高度的原理,重点分析了精细化提取可用反演卫星及其有效时段的方法,并在此基础上完成趋势项去除及Lomb-Scargle频谱分析,给出完整的反演水面高度的数据处理流程.通过济南市卧虎山水库坝体及泄洪闸两处位置进行实测,将反演的水位高度与实测的水位进行对比分析.结果表明:两不同测站的反演精度均达到厘米级,满足水位监测需求.也充分验证了利用大坝和库区已建立的GNSS变形监测系统开展GNSS-R水位监测的可行性及可靠性.

不同密度分布特点下激光测距数据分析系统设计

针对传统测距数据分析系统运算量大、耗时长等不足,设计了一种适用于不同密度分布的激光测距数据分析系统,系统硬件部分由激光调制发射模块、接收模块、粗测相模块、精测相模块、基于FPGA的系统控制中心、数据分析处理中心及显示模块等部分组成。在激光测距数据的分析流程方面,采用经验模态分解法对数据进行预处理并提取出激光测距值的低频项,基于lomb-scargle算法处理激光回波数据,获取相对应的频谱周期图,实现对激光测距数据的精确测量与分析。仿真实验结果证明,提出的系统设计分析精度高、测距误差控制稳定,具有良好的系统健壮性。

不同途径获得的大气重力波参数扰动场特征对比分析

重力波参数气候特征是确定全球大气模式中重力波参数化方案的一个重要环节,利用高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据和重要手段。目前,通常采用2~4阶曲线拟合、带通滤波方法获取高垂直分辨率探空资料扰动场,但针对不同方法之间的扰动场差异特征研究较少,本文利用2~4阶曲线拟合、带通滤波方法(0.5~5.0km)获取2014-2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料扰动场,采用相关系数、Lomb-Scargle、不同区间范围占有率方法进行研究,结果表明:①不同方法之间的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场均存在较明显差异,且相关性均较弱;②Lomb-Scargle分析表明,不同方法得到的平均纬向风扰动场、平均经向风扰动场、平均温度扰动场显著含有(通过90%置信检验)的垂直波长均存在明显差异;③不同方法得到的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场显著含有的垂直波长,在不同区间范围内的占有率均存在明显差异。

基于GPS新型L5信号的地表雪深反演研究

利用GPS多路径反射信号测量地表雪深具有全天候和高时空分辨率的特点,因此其可作为一种代替气象站监测雪深的新手段。然而,先前大多数研究仅使用了GPS L1和L2C波段信噪比数据探测积雪深度。为验证新型的L5信号在雪深反演方面的优越性,本文阐述了GPS-R技术反演雪深的原理,利用Lomb-Scargle周期图法所处理的受积雪表层影响的信噪比数据计算了频谱振幅强度,通过获取频谱特征值与天线高度的关系求解雪深值,最后分别与L1反演结果和实测雪深数据进行了对比。试验结果表明:与现有的GPS-R测量雪深结果相比,利用新型的L5反射信号反演地表雪深的精度更佳;采用GPS-R技术探测雪深对把握测站区域内的雪深变化情况和淡水资源储量具有重要价值。

ESO 113-G010的一对准周期振荡信号

2005年11月XMM-Newton望远镜对窄线赛弗特星系ESO 113-G010进行了长达100 ks的观测.采用Lomb-Scargle周期图(LSP)法和加权小波Z变换(Weighted Wavelet Z-transform,WWZ)两种方法对数据进行分析,发现存在着~2.2411和~4.09 h准周期振荡(Quasi-Periodic Oscillation,QPO),其置信度分别为7.3σ和4.8σ.这两个QPO信号的周期具有大约1:2(1:1.83)的关系.在该源的其他的观测中并没有发现QPO信号,表明这是一种暂现现象.ESO 113-G010中心黑洞的质量MBH和其QPO频率fQPO满足已知的从恒星级黑洞到超大质量黑洞的质量与QPO频率之间的对数线性关系.该源的能谱分析显示在1 keV以下有软X射线超的现象.

基于北京流星雷达的MLT区域大气风场研究

探测和研究大气风场是认知中高层大气结构的最重要的手段之一,其中流星雷达是一种非常好的观测大气风场的手段。为了更好地了解中纬中间层-低热层(MLT)区域大气风场的特征,本文利用2016年北京流星雷达反演的风场数据进行研究。首先研究了大气平均风场随时间和高度的变化特征,得出1~3月北京上空MLT区域的纬向风均以西风为主,经向风南风与北风交替显著,但仍以北风为主导的结论。继而对于90 km处的大气潮汐波进行研究,通过Lomb-Scargle功率谱方法和谐波拟合得出了大气潮汐随时间的变动规律,即中纬地区大气水平风场受到的潮汐波影响以半日潮汐为主、周日潮汐次之。

我国股市的非周期性研究

股市在一国经济中占有极为重要的地位,股指则是衡量股市的最重要指标。历来有不少学者研究过股市的周期性,结论大多属于定性范畴,主要以涨跌为划分周期的标志,本文则试图通过对股市周期进行定量分析,Lomb-Scargle周期图法是专门用来研究时间周期的方法,最早应用与天文领域,本文通过该方法分析了我国沪深两市的股指,得出了我国股市从定量角度看并不存在明显的周期性这一结论。

GNSS-MR技术用于雪深探测的初步研究

积雪是全球水循环中的重要组成部分,积雪深度与雪水当量的精确监测对全球气候变化研究极其重要。随着GNSS研究与应用的不断深入,基于多路径效应的GNSS-MR（GNSS multipath reflectometry）技术用于地表环境监测（植被、土壤湿度、雪深、海平面等）已成为一种新兴的遥感手段。分析了SNR（signal-tonoise ratio）信噪比值的变化特性,详细给出了基于SNR观测值的GNSS-MR技术探测雪深的基本原理及其计算流程图。为了验证算法的有效性,利用科罗拉多州17d连续跟踪站NWOT的GPS数据反演了降雪厚度,其结果与实测的雪深记录数据吻合较好,误差均值为0.07m。初步研究结果验证了GNSS-MR技术用于积雪深度探测的可行性,并为后续充分利用现有的全球密集GNSS跟踪站数据开展地表环境监测提供重要参考。

太阳活动的甚长周期性变化

近期Solanki等利用树木年轮中14C含量变化的测算资料,重建了过去10000多年间采样间隔为10a的太阳黑子数序列,Usoskin等则利用地磁变化资料重建了过去近7000年间采样间隔也为10a的太阳黑子数序列.本文采用Lomb-Scargle谱分析方法研究了这两个序列,得到了太阳活动的百年至千年时间尺度的周期和准周期,它们大约为225,352,441,522和561a以及近1000a和略大于2000a的准周期.同时采用小波变换方法对它们的进一步分析表明,这些长和甚长的准周期性分量均具有较明显的时变特征,即它们的周期长度和波动的幅度是随着时间的推移发生变化的,并在某些时段出现较大的波动,显示了太阳活动长期变化的复杂性.