电离层频高图自动度量与分析的方法研究

论文摘要

电离层频高图的度量与反演是电离层物理观测研究的重要内容,长期以来一直是电离层科研工作者关注的问题。本文结合目前国内外各种频高图度量和反演分析方法的特点,提出一种基于电子浓度剖面经验正交函数(EOF)分析的频高图F2层自动度量与分析的新方法,并分别介绍了利用该方法对CADI数字测高仪频高图F2层参数的实时自动度量以及在Digisonde数字测高仪观测的频高图和扫描的胶片频高图上的应用情况。目前的频高图自动度量和分析方法一般是先结合图像识别和曲线拟合等技术确定频高图描迹,再采用各种模型反演分析电子浓度真高剖面,最后获取电离层各个特征参数。本文提出一种基于电离层电子浓度真高剖面经验正交函数分析的频高图自动度量与分析新方法,该方法通过对历史观测或模式获取的电子浓度剖面进行EOF分解,提取EOF特征函数族,用该EOF函数族的线性多项式拟合实际电子浓度剖面;通过调整该多项式的系数可得到一系列电子浓度剖面,并可计算一系列频高图描迹,将这些计算的频高图描迹与实测频高图描迹逼近,从而完成电离层频高图描迹的自动度量并同时获得其电子浓度剖面。利用该新方法分别对CADI和Digisonde这两种目前在国际上广泛使用的数字测高仪观测的频高图进行测试和分析,获得了该方法的性能和特点。对CADI频高图参数的实时自动度量与分析结果表明:本方法在平静电离层状态下,自动度量的foF2,MUF(3000)F2和hmF2的可接受率分别为83.8%, 85.5%和74.5%;在磁暴期间,各参数的可接受率分别为82.4%, 84.5%和74.3%。另外,结合图像处理技术,我们也进行了CADI频高图Es层参数foEs的自动度量,其可接受率高达93.1%。利用本文新方法对Digisonde数字测高仪观测的频高图统计分析结果表明:其自动度量的F2层参数foF2,MUF(3000)F2和hmF2的总体接受率分别可达83.5%,91.1%和79.2%。以上这些结果与目前通用的ARTIST4.0方法自动度量的效果相当或者略强,这说明本文方法的可靠性是较高的。另外本方法对不同条件下的频高图自动度量的结果相差不明显,频高图本身的各种复杂变化情况对其影响较小,表明本方法具有较好的稳定性;此外,本方法不需要电离层测高仪提供回波的偏振信息,具有良好的通用性,可适用于各台站不同电离层测高仪获得的多种格式的频高图,甚至扫描的胶片频高图。电离层物理模式参数化研究是目前近地空间环境模化研究的重要问题,而对电离层电子浓度剖面的分解,建模和预报等是电离层物理模式化研究的关键和难点。用经验正交函数多项式拟合电子浓度剖面,能将电子浓度剖面的主要变化信息用少数几个经验正交函数模态表示,收敛快,精度高。本文的分析结果可反过来验证用EOF方法对电子浓度剖面分解,拟合和建模等是可行和有效的。CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)数字测高仪是目前国际上应用较多的电离层数字测高仪。作者所在研究室引进了中国大陆首台CADI数字测高仪并开始试观测。但该仪器缺乏相应的频高图度量与分析软件。为了解决这一问题,满足用CADI数字测高仪进行电离层观测和数据处理的需要,我们利用上述新发展的方法,开发了CADI数字测高仪频高图实时度量与分析软件,并进行电离层空间天气实时监测与分析。实际观测表明:采用本方法实时自动度量的CADI频高图参数具有较高的精度和可靠性,可实际应用于CADI数字测高仪的频高图参数自动度量和分析,实现电离层参量的实时监测和网上发布,这对电离层空间天气的监测和预报有重要作用。此外,本文还探索了应用新方法来处理大量的历史胶片频高图的潜力。实际工作结果表明:本方法自动度量胶片频高图参数foF2可接受率约75%,具有一定的实用性,为自动度量和分析大量的胶片频高图历史数据开辟了一条新思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一节 前言
• 1.1 电离层概述
• 1.2 电离层无线电探测的历史发展和现状
• 1.3 电离层无线电探测方法和原理
• 1.4 电离层测高仪的垂直探测
• 1.5 电离层频高图及其度量和反演
• 1.6 本文的目的和主要内容概要
• 第二节 电离层频高图的度量与反演
• 2.1 频高图的反演
• 2.1.1 电子浓度剖面反演的原理
• 2.1.2 电子浓度剖面反演的发展和现状
• 2.1.3 POLAN 方法
• 2.2 频高图的度量
• 2.2.1 ARTIST 方法
• 2.2.1.1 频高图描迹的自动度量
• 2.2.1.2 电子浓度高度剖面的反演
• 2.2.2 约束外推法
• 2.2.3 模糊几何法
• 2.2.4 轮廓拟合法
• 2.3 小结
• 第三节 频高图自动度量与分析的新方法
• 3.1 新方法的原理
• 3.2 新方法的具体介绍
• 3.2.1 经验正交函数分析
• 3.2.2 具体细节的介绍
• 3.3 小结
• 第四节 CADI 频高图的度量和实时发布
• 4.1 CADI 频高图度量和分析
• 4.1.1 CADI 数字测高仪介绍
• 4.1.2 CADI 频高图度量和分析软件
• 4.1.3 CADI 频高图F2层自动度量的实例
• 4.1.4 CADI 频高图F2层自动度量的统计分析
• 4.2 CADI频高图参数的实时自动度量在电离层空间天气研究中的应用
• 4.2.1 电离层空间天气的研究意义和现状
• 4.2.2 CADI 频高图参数的实时自动度量
• 4.2.2.1 CADI 频高图Es 层参数的自动度量
• 4.2.2.2 CADI 频高图参数实时自动度量算法和实用程序
• 4.2.3 CADI 频高图参数实时自动度量的实例
• 4.2.3.1 平静条件下CADI 频高图F2层参数的实时自动度量
• 4.2.3.2 磁扰动下对CADI 频高图F2层参数的实时自动度量
• 4.2.3.3 自动度量的foEs 的统计分析
• 4.3 小结
• 第五节 在Digisonde 数字测高仪频高图和胶片频高图上的应用
• 5.1 在Digisonde测高仪频高图上的应用
• 5.1.1 定性分析
• 5.1.2定 定量统计分析
• 5.2 在扫描胶片频高图上的应用
• 5.3 小结
• 第六节 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 附录 攻读博士期间完成的论文
• 致谢