电离层层析成像技术与电离层反演

系统介绍了利用电离层层析成像技术进行电离层反演的理论、模型及相应的计算流程.针对电离层层析成像反演算法对初始值比较敏感的特点,提出一种改进算法计算了电离层电子密度剖面,计算结果表明,改进算法可以改善电离层层析成像质量,具有高精度、大空间、实时等优点;最后介绍了电离层层析成像技术应用于电离层预报及地震前兆监测的前景.     

电离层多源数据同化方法研究

多源数据同化是实现电离层天气现报和预报的重要途径.选择参数化电离层模型作为背景模型,基于地基全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测以及第二代气象/电离层气候卫星探测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate 2,COSMIC 2)掩星测量,利用经验电离层模型NeQuick计算得到多源观测数据,结合水平和垂直方向分离的高斯型协方差矩阵及卡尔曼滤波方法实现了中国区域电离层多源数据同化反演.同化结果表明,多源数据同化方法能将观测资料有效地同化到背景模式中从而获得较好的同化结果.与背景模式相比,同化后得到的电离层总电子含量及电子密度误差均显著下降.     

TSVD-Tikhonov正则化多尺度动态光散射反演

在大反演范围内,小波正则化反演(WRIM)是一种改进动态光散射(DLS)数据反演精度的有效方法,但该方法对强噪声及双峰颗粒数据的反演精度偏低。在WRIM基础上,结合传统的单尺度Tikhonov、截断奇异值分解(TSVD)正则化在动态光散射反演中的优点,提出了一种Tikhonov-TSVD-WRIM(TTWRIM)多尺度动态光散射反演方法。该方法首先将Tikhonov用于粗尺度反演范围的自适应调整,然后将TSVD用于细尺度反演,并对反演结果进行五点三次平滑处理。在0.001、0.005及0.01三种噪声下,分别采用Tikhonov、TSVD、WRIM及TTWRIM四种方法对模拟数据进行了反演,结果表明,TTWRIM反演精度更高、抗干扰能力及双峰分辨力更强。最后,实测颗粒的反演也验证了模拟数据的结论。在[1nm,2000nm]的反演范围内,TTWRIM对300nm单峰及100~500nm双峰实测颗粒的反演峰值误差分别为0.18%和2.81%。     

电离层电子密度剖面EoFs解析研究

离子密度随高度的解析展开是电离层物理模式参数研究中的一个关键技术.用经验正交函数分析了(EoFs)电离层电子密度剖面解析中的应用,研究并给出了利用EoFs进行电离层电子密度剖面解析展开和剖面重构的算法.以海口站(20°N,110.3°E)为例,给出了电子密度剖面解析与重构算法的应用实例,分析结果表明数值解析的重构剖面与模式计算结果有很好的一致性.     

一种融合天地基多源数据的电离层反演方法

数据融合是观测数据稀疏条件下电离层精确反演的重要技术途径.文中提出了一种融合天地基多源数据的电离层反演方法.选择地基GNSS、低轨卫星(Low Earth Orbiting,LEO)掩星、卫星信标及垂测仪等手段为观测系统,国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)为背景模型,利用改进的克里格插值及乘法代数重构方法实现多源数据的有效融合.以中国区域为例,观测系统模拟试验的结果表明:文中提出的方法能将各类观测资料有效地融合到背景模式中,反演得到的总电子含量及电子密度误差相比经验模型均有显著降低;在地基GNSS观测的基础上,融入地基垂测与天基掩星可有效提升电子密度的反演精度.相关研究结果可为中国现有电离层观测系统的优化提供科学依据.     

PCS粒度反演中基于差分算法的正则参数优化

正则参数的选择是Tikhonov正则化法光子相关光谱(PCS)粒度反演的关键.为了获取最优正则参数,基于Morozov偏差原理正则参数选择策略,提出利用差分算法对正则参数进行优化,从正则参数的一个解集开始,按着差分变异、交叉和选择3种规则不断迭代,并根据每个解的目标函数值进行优胜劣汰,从而引导搜索过程逐渐逼近最优解.分...     

基于GPS层析反演和斜向返回探测反演的电离层二维电子密度重构

GPS层析反演和电离层斜向返回探测反演可以给出电离层大尺度2维电子浓度分布,该文基于3次电离层垂测、GPS层析探测和斜向返回探测的实验结果,比较了GPS层析反演和电离层斜向返回探测反演得到的大尺度电子密度2维分布。结果表明GPS层析和电离层斜向返回探测都能较好地重构电离层电子密度分布,反映电离层大尺度的空间结构。通过和电离层垂测结果的比较,表明GPS层析和斜向返回探测反演得到电离层F2层最大电子密度和峰高具有较好的精度。     

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.     

基于L曲线法的超声CT正则化参数优化

超声逆散射成像图像重建反问题常常是不适定的。此种情况下,仅使用最小二乘法不能保证获得满意的介质分布图像重建结果,因此使用Tikhonov和TSVD正则化算法来产生适当的解。正则化参数的合适选取对图像重建至关重要,其对重建质量和计算速度都有影响,本文采用L-曲线准则确定相应的正则化参数。经实验验证:基于L-曲线法可以快速找到最优正则化参数,TSVD法与Tikhonov正则化方法相比,提高了图像重建质量,且适用范围广。     

基于地基GNSS和COSMIC掩星数据吸收的三维电离层电子密度重构方法

精确给出电离层的实时变化信息对现代通信和卫星导航等系统可靠应用具有非常重要的意义.为提高电离层经验模型电子密度的输出精度，提出了一种基于地基GNSS和COSMIC掩星数据吸收的三维电离层电子密度重构的新方法.以最新版国际参考电离层模型IRI-2016为背景模型，选择IG指数与Rz指数作为驱动量，采用Brent算法分两步实现了地基GNSS和COSMIC掩星数据的吸收.与欧洲区域8个垂测站实测数据的对比表明:数据吸收后模型重构的电离层N_mF₂的绝对平均误差和标准差分别下降了33%和29%；电离层h_mF₂的重构误差则分别下降了约55%和30%.对比结果验证了所提方法的精度和有效性.     

冲绳地区电离层Es变化特性研究

电离层偶发E层(Es)是发生在电离层E层高度上的偶发电子密度不均匀体结构,其最大电子密度最高可达E层背景电子密度的100倍以上.Es是一种重要的环境资源,以其作为散射体,能够实现甚高频(VHF)超视距通信,弥补电离层常规短波(HF)通信带宽的不足.远东地区是全球Es的高发区,具有独特性和典型性,开展该地区Es变化特性的...     

前向散射颗粒粒径测量中的多参数正则化算法

反演算法是光散射颗粒测试技术中的关键问题之一,以Tikhonov正则化方法为代表的单参数正则化算法被广泛应用于激光粒度仪颗粒粒径分布函数(PSD)的反演计算中。该算法的缺点之一是所得到的反演解呈现出振荡特征,并伴随负值。为改善这一状况,提出了一种多参数正则化算法。通过构建一个由多个参数控制的带通滤波函数,分别控制正则化解的振荡程度和解的高度,并对正则化解进行非负约束。模拟计算和实验研究结果表明,对多参数进行优化后能够降低正则化算法带来的振荡和负值。此外,所提出的算法具有较好的多峰识别能力,可实现颗粒粒径分布的有效重建。     

基于多分辨率GPS层析技术的电离层暴时LSTID特征研究

利用GPS电离层层析技术探测电离层已经有了数十年的发展，特别在电离层暴时有着独特的优势.文章基于一种多分辨率层析算法，并结合美国东西部地区部分GPS地面数据对2015年3月16日-17日出现的电离层暴进行重构.首先，借助独立的测高仪数据验证多分辨率层析技术对电子密度反演的精度结果，同时也证实了电离层暴时多分辨率层析算法的适用性.其次，通过对美国东部地区2015年3月17日磁扰动最强烈时段的电离层重构，检验由磁暴引起的大尺度电离层行扰（large-scale travelling ionospheric disturbance，LSTID）的存在，并利用总电子含量（total electron content，TEC）数据分析此次电离层行扰的水平特征.同时，通过与非相干散射雷达（incoherent scatter radar，ISR）观测值的对比，借助反演得到的电子密度剖面信息讨论电离层行扰在垂向上的特征.结果表明:此次LSTID的波长为1 200 km左右，周期为50~60 min，以350~400 m/s的波速向西南方向传播，并且电离层行扰（travelling ionospheric disturbance，TID）的垂向电子密度具有较可靠的精度.     

基于组稀疏正则化的荧光扩散层析成像重建

针对荧光扩散层析成像中荧光光源的定位误差较大和形态学信息不完整的问题,提出一种基于组稀疏正则化的同时代数重建技术(GSR-SART)算法。该算法利用图像的非局部自相似性和局部稀疏性构造自适应相似组;然后,将相似组作为基本单元,学习自适应字典;最后,采用迭代收缩阈值算法求解目标函数。实验结果表明,所提算法在峰值信噪比和方均根误差的结果上比其他先进算法有较大的提升。     

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f_oF₂的精度但无法有效提升h_mF₂的精度,而联合测高仪数据后,电离层f_oF₂和h_mF₂的重构精度均有明显提升,其中h_mF₂的平均误差和标准差从20.6 km和16.5 km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.     

导航、电子对抗、制导

TN96 01041479奥斯特/GPS掩星与地面留达联合观测电离层电子密度的初步结果/张训械(中和阵完武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室)弃全球定位系统一2000,25(3).一1一5文章给出了1 999年10月奥斯特ZGPS掩星与日本MU雷达和数字测高仪的联合观恻结果.奥斯特掩星反演得到的电子密度剖面与地面雷达观测的进行了比较,结果表明:天基和地基雷达观测的电子密度是一致的.文章还给出利用G PS的单频信号反演电离层电子密度剖面技术和3维射线追踪技术模拟掩星结果.图4参8(许)TN96〔)飞()414吕lj上海地区G PS/STORM试验与结果…     

CGLS 算法在综合孔径微波辐射计中的应用

高效的反演成像算法是综合孔径微波辐射计的关键技术之一。由于综合孔径微波辐射计反演成像在数学上是病态的反问题,所以需要进行正则化处理以克服其病态特性而获得稳定的解。与直接正则化方法相比,共轭梯度最小二乘(Conjugate Gradients Least Squares, CGLS)迭代法具有无须明确正则化参数、无须对传递矩阵求逆等优点。提出将共轭梯度最小二乘法应用于综合孔径辐射计成像中,并基于全极化干涉式微波辐射计(Full Polarization Interferometric Radiometer, FPIR)系统,比较了其与经典的最小范数正则化的性能。仿真结果表明:与最小范数正则化相比,CGLS 正则化算法能有效降低FPIR 系统图像反演误差,以获取高精确度的观测场景的亮温分布满足FPIR 系统探测海面风场、海表面盐度和土壤湿度等应用需求。     

一种正则化图像特征增强中正则参数选择方法

正则化图像特征增强算法能够在保持图像较高分辨力的情况下抑制散斑和旁瓣。选择合适的正则化参数对于正则化算法所形成图像的质量至关重要。本文应用推广到非二次型正则化情形的广义交叉验证(GCV)、稳健广义交叉验证(RGCV)和Stein无偏风险估计(SURE)方法研究正则参数选择策略,推导了特征增强正则化方法中GCV,RGCV和SURE函数的直接计算公式,并提出了修正特征项后快速求取正则解的算法以及一般的不动点迭代算法,从而实现了正则参数的自适应选择。数值仿真和实测数据处理结果均说明所提方法的有效性。     

非相干散射的一种非线性反演方法

非相干散射是从自相关函数或其功率谱来反演电离层参数,线性反演利用国际参考电离层置初始值来进行反演,若初始值与真实值偏差较大,该方法精度较差.为了解决这个问题,提出了一种非线性反演算法.该算法不受初始值影响,反演的参数精度高,仿真结果表明,其相对误差的绝对值不大于5%.     

电离层背景状态对大功率短波加热电离层效应的影响

从电离层加热实验出发,模拟研究了低纬地区(Arecibo)和高纬地区(Troms?)加热效应.首先验证了该文计算的正确性,在此基础上研究了背景电离层电子密度梯度和泵波频率 HFf 与临界频率0F2f 比值对电离层加热效应的影响,结果表明:电子密度梯度越小,加热效果越强;过密加热时,加热效果随泵波频率与临界频率的比值增大而增强,但同时受电波反射高度影响,该比值较低时可能也会存在一个使加热效果增强的取值范围.最后分析了在不利的电离层背景状态下如何有效选择加热参数,以获得较为理想的加热效果.