基于智能语音技术的闪电哨声波自动识别

闪电哨声波是一种重要的电磁波动,了解其传播特征及传播过程有助于揭开圈层电磁耦合机理.从卫星观测资料识别闪电哨声波通常需要将原始电磁波形进行滤波处理再转化为时频图像,最后采用目视方法识别图像中的色散状形态,整个过程消耗大量人机时间和内存资源,不能满足张衡一号(ZH-1)卫星观测的海量电磁场数据处理的需求.针对该问题,鉴于闪电哨声波原始波形数据能够通过播放器产生降调的声音,本文打破以视觉分析为主的闪电哨声波研究惯例,首次采用语音智能技术研究其自动识别算法.首先,以张衡一号卫星感应磁力仪(SCM)的VLF波段的波形数据为研究对象,截取时间窗口为0.16 s的波形数据作为音频片段;然后对该片段进行去趋势处理;基于梅尔频率倒谱系数(MFCCs)能够刻画人耳的听觉机理,提取闪电哨声波的MFCCs特征;其次,构建长短期记忆(LSTM)神经网络并输入波形数据的MFCCs特征训练分类模型;最后利用MFCCs特征和训练得到的LSTM分类模型实现闪电哨声波自动识别.通过对10200数据集(5100段包含闪电哨声波,5100段无闪电哨声波)上开展实验发现：该方法的准确率为96.7%,召回率为84.2%,调和平均得分(F1-score)为90.0%,AUC(Area under Curve)评分为90.1%,而且消耗的时间成本是2.28 s,消耗内存资源是82.89 MB;当前最优的基于时频图的闪电哨声波识别算法在本数据集上的准确率为97.3%,内存消耗为233 MB,在CPU上处理0.16 s的片段数据所消耗的时间是6.71 s,内存消耗和时间消耗比较严重.相比而言,基于智能语音的闪电哨声波识别算法准确率略低0.6%,但能够节约66%的时间成本以及65%的内存资源.这表明该算法不仅仅适合从卫星观测的海量数据中快速准确识别出闪电哨声波,且更适合应用于星载识别.

     

张衡一号感应磁力仪数据闪电哨声波自动识别

张衡一号卫星感应式磁力仪（Search Coil Magnetometer,SCM）探测到了大量的低频电磁波动数据.本文探索从中自动识别闪电哨声波（Lightning Whistler,LW）的算法,相关结果对进一步研究空间天气闪电事件的时空变化规律具有重要研究意义.首先,以20 s的时间窗提取SCM原始波形数据,再对其做短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform,STFT）得到时频图;接着,以LW在时频图中呈现明显的L形态特征为依据创建LW时频图像数据集,该数据集包括316个LW时频图,8000个非闪电哨声波的时频图;再对时频图像进行灰度化处理和尺度缩放处理以降低计算维度,同时增强闪电哨声波特征;通过设计模糊卷积核,对图像进行卷积计算以滤除大量阶跃边缘信息的影响;基于LW的形态特征设计L形态卷积核,对图像进行卷积处理以进一步增强图像中的L形态特征.最后,将增强后的L特征图输入支持向量机（Support Vector Machines,SVM）进行分类识别.大量数据处理实验结果表明：本文提出的闪电哨声波自动识别方案有效,其识别效果在精度、召回率、F1值（F1 score）和接受者操作特性曲线面积（Area Under Curve,AUC）指标上均达到94%以上.

     

张衡一号卫星闪电哨声波扩散状态识别算法

闪电哨声波是由闪电激发的宽频带电磁脉冲,在穿越南北两半球沿地磁线传播时携带了大量的空间环境信息.由于在闪电哨声波中高频的部分先到达低频的部分后到达,导致其在时频图中呈现色散状.其传播路径的长短、传播路径中的电子密度成分以及反射次数等不同使得其存在多种扩散状态.为了进一步探索闪电哨声波的扩散状态与空间环境之间的关系,将闪电哨声波依据其扩散状态进行分类是现在一个亟需解决的问题.然而,目前的检测算法还无法对闪电哨声波扩散状态进行细分.基于此,本文以张衡一号(ZH-1)卫星感应磁力仪(SCM)的VLF波段的波形数据为研究对象,首次将闪电哨声波的散度信息作为其特征,统计并制作了2303张闪电哨声波的时频图像数据集并对其进行特征提取,最后将提取到的特征输入SVM分类器对闪电哨声波进行分类.实验结果表明该算法具有较好的分类效果,其准确率为94.35%、精确率为95.42%、召回率为98.58%、F1-Score为96.97%.     

电磁卫星地面对比观测原型系统地电场观测资料特征分析

通过对电磁监测试验卫星地面对比观测原型系统中古丰、寺滩和坪城地电场观测数据特征研究,结果表明：（1）3个台站的地电场观测数据均具有较为明显的正常日变化形态;（2）在磁暴发生期间,地电场各测向均记录到了同步的地电暴变化,其最大变幅均明显高于正常日变;（3）寺滩地电场记录到临震前的数据异常现象,在时间和空间上都与地震事件吻合较好。     

基于JUNO卫星WAVES仪器波动数据的木星磁层哨声波分析研究

等离子体波的空间分布在木星磁层高能电子动力学过程中起着重要的作用.现有大多数对木星磁层哨声波的观测仅限于|λ|≤ 15°的磁纬范围内,但是最新的JUNO卫星WAVES仪器提供的波动数据使得更高纬度、更广区域范围内的等离子体波动分布研究成为可能.本文通过对JUNO卫星WAVES仪器数据进行分析处理,详细研究了木星磁层哨声波的空间分布特性.观测表明,存在位于高L_J、高磁纬的木星磁层哨声波,它们广泛分布于距木星中心距离35~75个木星半径、磁纬为|λ|≤ 30°的空间区域.分析研究发现,WAVES仪器观测的木星磁层哨声波幅度一般为几个pT,远小于地球磁层哨声波的强度.木星磁层哨声波幅会随着L_J的增大缓慢增加,也会随着磁纬的减小趋向平缓变化.基于以上观测事实,本文利用指数幂函数分别拟合得到木星磁层哨声波幅随L_J和磁纬变化的经验模型.该模型将有助于精确理解哨声波对木星磁层高能电子动力学过程的重要影响.

     

CSES卫星观测的赤道电集流特征

本文利用2018年8月到2019年12月期间我国张衡一号电磁监测试验卫星(CSES)所观测的地磁数据,反演了赤道电集流(EEJ)电流密度的纬度剖面;通过选取的4729个清晰的EEJ事件,分析了在地方时(LT)14:00附近的EEJ特征.研究结果表明：在地磁平静期间,CSES卫星观测的EEJ电流密度的峰值位于磁赤道附近,其平均幅度约为27 mA·m^-1.该幅度小于CHAMP和Swarm卫星的观测结果,这与2018—2019年期间太阳活动水平较低(平均F_10.7指数约为70 sfu)有关,此外也与CSES轨道所处的地方时相关.平均而言,EEJ的主瓣宽度约为4°,主瓣和旁瓣的峰值电流密度之比约为2.7;在本文所关注的事件中,东向EEJ事件约占83%,西向EEJ事件约占17%;这个比例与CHAMP卫星的观测结果稍有不同,与14:00 LT附近西向EEJ出现的概率较低有关.东向EEJ的峰值电流密度对经度、季节和太阳辐射水平有显著的依赖性.EEJ峰值密度随经度变化呈现明显的4波结构,可归因于低层大气非迁移潮汐的作用.EEJ峰值电流密度有明显的季节依赖,其幅度在春秋分较大,冬夏季较小.在2018—2019年期间,尽管太阳活动水平较低,EEJ峰值密度随太阳辐射水平的增加而增加.

     

基于张衡一号电磁卫星的夏季磁静日新疆区域上空电离层电子密度变化特征

采用张衡一号电磁卫星朗缪尔探针(Langmuir Probe, LAP)载荷原位电子密度对夏季磁静日时段新疆区域(30°～55°N, 70°～100°E)的顶部电离层N_e进行分析。通过分析日侧和夜侧的数据变化曲线：40°～55°N范围内N_e数据变化平稳,日侧N_e值平均高于夜侧N_e值的2倍,其中夜侧N_e值稳定在0.5×10¹⁰ cm^-3～1.0×10¹⁰ cm^-3,日侧N_e稳定在1.0×10¹⁰ cm^-3～1.5×10¹⁰ cm^-3;而30°～40°N范围上N_e数据波动较大。根据地方时特征分析结果表明：无论是夜侧还是日侧,随着纬度的降低N_e值逐渐增大,N_e值最大达到5.25×10¹⁰ cm^...     

张衡一号电磁卫星在轨情况及主要的科学成果

张衡一号电磁卫星是中国地震立体观测体系的天基观测平台,其科学目标是获取全球电磁场、电离层等离子体、高能粒子数据,对中国及其周边开展电离层动态实时监测和地震前兆跟踪,弥补地面观测的不足,探索地震监测预测新途径.张衡一号电磁卫星系列的第一颗试验卫星于2018年2月成功发射,现已在轨稳定运行4年多;第二颗同类电磁卫星将于2023年6月左右发射.在轨测试、交叉定标工作表明张衡一号电磁卫星具备良好数据质量.在科学产出方面,张衡一号卫星全球地磁场参考模型是全球地磁场参考模型（IGRF）构建一个多世纪以来,唯一由中国科学家牵头且唯一采用中国数据制作的全球地磁场参考模型;基于张衡一号的电离层电子密度3D模型很好地重现了电离层结构特征;张衡一号电磁卫星在地震等自然灾害、空间天气事件监测方面显示出了良好的响应能力;在圈层耦合机理方面,关于地震电磁波跨圈层传播全波计算方法能够计算出岩石圈-电离层波导及电离层中的电磁场变化,证实了张衡一号卫星电磁场载荷探测地震低频电磁异常的能力.张衡一号卫星能够反映岩石圈的地震、甚低频发射站、岩石圈磁异常、大气层的闪电等活动.科学研究结果表明张衡一号电磁卫星与其它观测结果一致...     

卫星观测到的全球闪电活动及其地域差异

闪电活动在时间和空间尺度上都有很大的可变性. 本文利用热带降水测量计划（TRMM）卫星上携带的闪电探测系统获取的闪电定位资料首次对一些典型地区的闪电活动进行了对比分析. 研究发现不同地区的闪电活动无论在闪电频数或放电强度方面都有很大的差别，海洋上的闪电活动频数与陆地上的闪电活动频数可相差几十倍；不同地区闪电活动的多少不仅取决于该地雷暴日数的多少，更重要的还取决于该地每次雷暴过程闪电频数的多少；不同地区的闪电放电强度有随闪电频数增加而减小的趋势. 进一步研究还表明，不同地区闪电光辐射能的不同可以用对流最大不稳定能量（ECAPE）来解释，闪电放电强度与ECAPE之间存在非常好的线性正相关；而闪电活动频数对ECAPE的响应则与闪电光辐射能不同，二者之间没有发现明显的相关.     

地球物理探测卫星数据分析处理技术与地震预测应用研究项目及研究进展

地震监测预警和预测预报是当前地球科学及相关学科所面临的最艰巨的问题之一,是关系到人类社会安全与国计民生的亟待攻克的科学难题.为进一步提高地震预测科学研究水平,推进地震监测预测能力建设,我国于世纪之交提出了建立地震立体观测体系的战略发展思路,并希望突破三维地球物理场获取能力瓶颈,发展地球多圈层耦合模型,通过卫星观测获取全...     

静止卫星闪电探测中云影响研究

相对已经在轨运行的极轨卫星,搭载在静止卫星上的闪电成像仪能够提供全天候、无间断的闪电探测,是目前全球卫星闪电探测的方向.本文分析云不同特性对云顶闪电信号的影响,以及云高对静止卫星闪电定位的订正分析,将对静止卫星闪电成像仪的研发及其业务化运行提供技术支撑.研究中,通过建立云中闪电传输模型,模拟云中闪电传输.由于云粒子散射,云的体积、光学厚度和形状,以及闪电在云中发生的深度,都影响云中或云间闪电信号传输到云顶的能量衰减和持续时间,其持续时间可能超过已知静止卫星闪电成像仪假设的2 ms成像积分时间间隔,这样不能保证所有的闪电信号在一帧图像内探测到.但是,云粒子散射对云顶闪电的水平位置影响不大,闪电成像仪定位的云顶闪电可代表云中或云间的闪电位置.同时,在传统静止卫星图像定位模型的基础上,建立了闪电定位的云高订正模型.根据该模型,当云顶高度为10 km,云高所引起的闪电定位最大误差达到经向0.5379°、纬向0.2273°,超过已知静止卫星闪电成像仪假设的地面探测单元大小,有必要进行订正.     

星载电场数据处理方法研究

给出一种新的非线性、非平稳信号的处理方法——HHT方法,并把该方法首次应用于星载电场数据处理中.以2004年9月15日菲律宾6.0级地震前两天(13日)DEMETER卫星经过震中区域上空所记录到的数据为例,对ULF频段的电场数据进行了处理,得到了相应的HHT时频图谱.另外,还利用DEMETER卫星中心网站提供的SWAN软件计算得到了相应的小波变换时频图谱,通过比较发现,虽然两种方法对异常信号出现的位置时刻的描述有相同的能力,但HHT方法在异常信号的细节描述上更为清晰,从而为今后进一步的研究工作奠定了基础.     

ZH-1卫星LAP数据校正及与Swarm B数据差异分析

针对ZH-1卫星朗缪尔探针(LAP)原位电子密度观测数据远小于其他系统观测数据的问题,本文利用COSMIC及COSMIC 2在中纬度地区的掩星数据,得到对LAP数据的校正关系,并进一步利用与ZH-1具有相似飞行高度的Swarm B卫星全球等离子观测数据对校正后的LAP数据进行检验,以评估校正结果的准确性和可靠性.检验结果认为：(1)校正后的LAP数据与Swarm B数据基本一致,两者在中纬度地区符合较好,在赤道地区仍有明显偏差.(2)这一偏差与观测数据值的大小有关,在较小观测值时两者符合较好,较大观测值时差异变大,可能与两个卫星载荷的不同动态响应特性有关.(3)经过线性校正的LAP数据不会改变相对变化关系,但拓展了数据的应用场合.

     

张衡一号卫星记录的空间电磁波传播特征分析方法及算法实现

本研究主要利用张衡一号电磁卫星（CSES）记录的电磁场波形数据,研发了电磁波波矢量分析工具,该工具包提供电磁波形频谱变换、奇异值分解（SVD）方法以及坡印廷能流计算功能.选取了张衡一号卫星在ULF/ELF/VLF频段观测到的哨声波、准周期辐射、电离层嘶声波等典型波动事件,开展了频谱分析和波矢量分析.通过与DEMETER卫星的对比观测研究,验证了算法的正确性,并且初步探讨了这些波动的传播特征,其结果也验证了张衡一号卫星在电磁场观测方面具有良好的性能.本研究研发的波矢量分析工具包可直接运用到张衡一号卫星的常规数据处理和科学分析应用中.

     

DEMETER卫星监测的极低频和超低频电磁场数据分析

分析了DEMETER卫星上测量的极低频(ELF, 3—30 Hz)和超低频(SLF, 30—300 Hz)水平磁场. 其统计变化规律与地面上实测的此频段大气噪声变化规律一致, 并且数值差异也符合电波传播规律, 说明卫星上监测的电磁场来源于地面. 同时对DEMETER卫星上测量的ELF和SLF归一化波阻抗进行了深入地分析, 由电子密度与离子密度计算出的归一化波阻抗与由实测电磁场计算出的归一化波阻抗均有差异. 现有观测资料并不完全“自洽”, 尚有问题需深入研究.     

ZH-1卫星得到的中国及邻区顶部电离层背景特征

利用ZH-1(CSES)卫星LAP载荷原位电子密度数据对中国及邻区(0°-54°N,70°-140°E)的顶部电离层背景分布及随季节变化进行了详细分析,研究结果显示:(1)研究区赤道异常的纬度延伸范围、随经度分布形态及它们的季节变化,具有与其他研究结果一致的规律性.(2)中纬度区,白天电子密度存在一个低值带,夜间电子密...     

基于重构激发信号的电磁式可控震源相关检测参考信号方法研究

针对电磁式可控震源地震数据的相关检测,研究发现,在地下结构复杂、基板-大地耦合不佳时,常规方法——基于震源控制信号或基板附近信号作为参考信号检测得到的地震记录中,存在子波到时误差和虚假多次波问题.本文分析了上述问题的理论原因,并提出基于重构激发信号的相关检测参考信号方法(Correlation Detection Reference Signal Based on the Reconstructed Excitation Signal,CDRSBRES).首先,利用直达波与其他地震波到时不一致的特点,从震源基板附近信号中分离、提取直达波.然后,利用直达波重构震源激发信号并作为参考信号对地震数据进行相关检测.最后,应用谱白化技术提高检测结果质量.数值模拟研究表明,重构激发信号与理想激发信号的相关系数为0.9869,达到高度线性相关,CDRSBRES方法检测的地震记录在子波到时和波形特征上均与模型相符.随后,在某金属矿区开展了可控震源对比实验.与液压式可控震源MiniVib T15000检测结果相比,电磁式可控震源PHVS 500的检测结果中:基于震源控制信号的检测结果存在子波到时误差约0.012 s,对应垂向精度误差约11.16 m;基于基板附近信号的检测结果部分区域出现虚假多次波,信噪比降低;而CDRSBRES方法的检测结果子波到时误差约0.001 s,对应垂向精度误差约0.93 m,波形特征一致,相同区域无虚假多次波.综上,本方法适用于电磁式可控震源地震数据的高精度检测,尤其对于地下结构复杂区域的高分辨率地震勘探具有重要意义.     

Cylindrical-wave approach for the electromagnetic scattering problem by buried two-dimensional objects

A spectral-domain method, for the solution of the two-dimensional electromagnetic plane-wave scattering by a finite set of perfectly-conducting or dielectric cylinders buried in a dielectric half-space, has been developed. The scattered field is represented in terms of a superposition of cylindrical waves, and use is made of the plane-wave spectrum to take into account the reflection and transmission of such waves by the interface. The problem is solved for both the near- and the far-field regions, for TM and TE polarizations. In this work we briefly resume the theoretical basis of our approach. For configurations in which more obstacles are buried in the ground, and they are near to one another, we give details about the convergence rate of our method, and about the properties of our algorithms for the integration of cylindrical functions. With our technique it is possible to simulate two-dimensional buried obstacles of general shape, by means of a suitable set of circular-section cylinders: in this paper we show preliminary results of simulations carried out using arrays of same-radius circular cylinders, and of different-radius circular cylinders.