[發(fā)明專利]基于奇異譜分析的電離層異常探測方法及系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN107024694A
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發(fā)明（設計）人: 姚宜斌;翟長治;孔健;劉磊
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01S13/95
• 分類號: G01S13/95
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 王丹

技術領域

本發(fā)明屬于地球物理領域，具體涉及一種基于奇異譜分析的電離層異常探測方法及系統(tǒng)。

背景技術

太陽的極紫外輻射和X射線的電離作用以及太陽風和高能粒子射線的撞擊作用，在地球高層大氣中產(chǎn)生了大量的自由電子和離子，在60～2000km高度范圍內(nèi)形成了電離層。電離層異常是指電離層的電子密度、峰值高度等物理特征偏離其常規(guī)形態(tài)的特殊變化。地震、磁暴、海嘯、火山噴發(fā)等因素都有可能導致電離層異常。確定電離層異常的出現(xiàn)時間，對于探索磁暴在空間天氣變化中的傳播過程、地震和海嘯與電離層之間的相互作用的研究至關重要。由于電離層變化受太陽活動、地球自轉和公轉、地磁條件等多種因素的影響，因此電離層變化具有很強的周期性，在電離層異常探測時需要將電離層的正常周期變化排除。而目前國際上電離層異常探測的方法如時間序列法、四分位法以及二階差分法等，都是基于短時間的電離層趨勢變化，沒有考慮電離層的常規(guī)周期變化，因此異常探測精度不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種基于奇異譜分析的電離層異常探測方法及系統(tǒng)，能夠排除背景場時間段與異常探測時間段地球外界環(huán)境不同造成的干擾，有效探測電離層異常信息。

本發(fā)明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種基于奇異譜分析的電離層異常探測方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、獲取電離層歷史觀測數(shù)據(jù)ION；

S2、利用奇異譜分析法得到電離層正常變化成分ION_main；

S3、基于電離層平靜時期計算正常背景噪聲ε；

S4、根據(jù)ION_main和ε，得到電離層觀測數(shù)據(jù)ION的正常變化范圍；

S5、當實際電離層觀測數(shù)據(jù)超出電離層觀測數(shù)據(jù)ION的正常變化范圍時，視為電離層異常。

按上述方法，所述的S2具體為：

選取電離層歷史觀測數(shù)據(jù)，時間序列x＝[x₁,x₂,x₃,..x_N]，將其進行中心化處理后，按照相同的序列延遲排列得到

其中，N為時間序列長度，M為嵌入維數(shù)；

矩陣X的第i個狀態(tài)向量為

(1)式的變量間協(xié)方差是原時間序列x不同滯后的自協(xié)方差，構造滯后自協(xié)方差陣T_x

T_x是Toeplitz矩陣，其主對角線元素是時間序列x的方差；C(j)為時間序列x遲后為j的自協(xié)方差，0≤j≤M-1，用Yule–Walke估計法得到

然后根據(jù)公式

T_xE^k＝λ_kE^k,k＝1,2,3…,M(5)，

求得T_x的特征值λ_k和特征向量E^k；

定義狀態(tài)向量X_i在第K個特征向量上的投影為：

由其中一部分特征向量和時間系數(shù)來重建x的成分

將T_x的特征值λ_k從大到小排列，截取前p個較大的特征值，由其所對應的x^k之和重建出反映原時間序列的整體特征，即

提取ION中對應公式(8)的時間序列y作為電離層正常變化成分ION_main。

按上述方法，所述的S4中，取2倍ε作為上下限值，得到電離層觀測數(shù)據(jù)ION的正常變化范圍：

以up和low作為ION序列變化的上下界。

一種基于奇異譜分析的電離層異常探測系統(tǒng)，其特征在于：它包括：

數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取歷史電離層觀測數(shù)據(jù)ION；

數(shù)據(jù)濾波模塊，用于利用奇異譜分析法得到電離層正常變化成分ION_main；

背景噪聲計算模塊，用于基于電離層平靜時期計算正常背景噪聲ε；

電離層觀測數(shù)據(jù)正常變化范圍確定模塊，用于根據(jù)ION_main和ε，得到電離層觀測數(shù)據(jù)ION的正常變化范圍；

電離層異常判斷模塊，用于當實際電離層觀測數(shù)據(jù)超出電離層觀測數(shù)據(jù)ION的正常變化范圍時，視為電離層異常。

按上述系統(tǒng)，所述的數(shù)據(jù)濾波模塊具體為：