王大鵬 宋歡 胡耀垓 謝存 趙正予

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,武漢 430072;2.武漢軍械士官學(xué)校,武漢 430075)

?

斜測電離圖描跡的自動提取

王大鵬1,2宋歡1胡耀垓1謝存2趙正予1

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,武漢 430072;2.武漢軍械士官學(xué)校,武漢 430075)

提出了一種能同時獲取斜測電離圖描跡和參數(shù)的方法,該方法采用準拋物模型描述電離層F2層電子濃度分布.利用正割定理、Martyn等效虛高定理、圖像處理技術(shù)和電離圖的回波特征確定部分電離層狀態(tài)參數(shù)的最終值和部分參數(shù)的初始值及搜索空間.然后,利用最小群時延和殘差分析提取Es層描跡.最后,使用混合遺傳算法從搜索空間范圍內(nèi)找出一組最優(yōu)參數(shù),使合成的斜測電離圖F2層描跡與真實描跡吻合得最好.為了驗證自動提取方法的有效性,對240張斜測電離圖進行了自動提取,將得到的結(jié)果與斜測電離圖的人工提取結(jié)果進行比較,結(jié)果顯示該方法能夠較準確地提取斜測電離圖描跡和參數(shù).

斜測電離圖;自動提取;混合遺傳算法

DOI 10.13443/j.cjors.2015110604

引 言

斜向探測能夠獲得描述收發(fā)站之間電波傳播群時延對頻率關(guān)系的電離圖,稱之為斜測電離圖.通過提取和分析斜測電離圖中的數(shù)據(jù),可為收發(fā)站臺之間的短波通信提供最佳通信頻率,還可以獲取傳播路徑中點上空的電離層狀態(tài)信息.短波通信主要靠電波在電離層中的反射來實現(xiàn),而對電波反射起主要作用的是電離層的F層.F層可分為F1層和F2層.對斜測電離圖來說,F1層往往沒有充分發(fā)展,主要是F2層對電波起反射作用.當(dāng)斜測電離圖中存在Es層時,Es層也參與反射部分電波信號.因此,全文旨在自動提取斜測電離圖F2層和Es層的描跡和參數(shù).

目前,國內(nèi)外公開發(fā)表的與斜測電離圖描跡和參數(shù)提取有關(guān)的文獻較少.文獻[1-2]主要介紹了斜測電離圖的描跡提取方法,但都沒有涉及斜測電離圖的參數(shù)提取內(nèi)容.文獻[3]介紹了我們之前專門為了提取斜測電離圖F2層描跡提出的方法,該方法僅能提取F2層描跡和兩個與F2層有關(guān)的參數(shù).本文在此基礎(chǔ)上,將正割定理[4]、Martyn等效虛高定理[5]、最小群時延理論、殘差分析[6]和窗口搜索法應(yīng)用到斜測電離圖的自動判讀方法中,使其能夠提取斜測電離圖F2層和Es層描跡,與此同時提取大量與F2層和Es層有關(guān)的電離層狀態(tài)參數(shù).

1 自動提取方法

根據(jù)回波的信噪比二值化斜測電離圖,然后采用連通域方法[7]去除電離圖中的散點噪聲.在干凈的斜測電離圖的基礎(chǔ)上,根據(jù)經(jīng)驗值確定Es層和F2層出現(xiàn)在電離圖中的位置,并從電離圖中提取與Es層和F2層有關(guān)的參數(shù),如Es層的最大觀測頻率fMUFEs,Es層對應(yīng)的群路徑p′Es,F2層X波的最大可用頻率fXMUFF2,F2層O波的最大可用頻率fOMUFF2.根據(jù)fMUFEs和p′Es值,利用最小群時延理論和殘差分析提取Es層描跡.利用正割定理分別將fMUFEs,fOMUFF2近似轉(zhuǎn)化為Es層的臨界頻率foEs和F2層的臨界頻率foF2.利用Martyn等效虛高定理將p′Es近似轉(zhuǎn)化為Es層的虛高h′Es.定義foF2為準拋物(Quasi-Parabolic,QP)模型中臨界頻率的初始值.QP模型中最大電子濃度和半厚度的初始值根據(jù)經(jīng)驗值給出.以初始值為中心增加和減小一定閾值作為QP模型參數(shù)搜索空間的上限和下限.然后,采用圖像處理技術(shù)直接從斜測電離圖描跡上選出若干真實數(shù)據(jù)點作為合成斜測電離圖F2層描跡需要的原始輸入數(shù)據(jù).最后,在確定的參數(shù)搜索空間范圍內(nèi),利用混合遺傳算法[8]從搜索范圍內(nèi)找出使目標函數(shù)最小的一組狀態(tài)參數(shù)作為最優(yōu)解,最優(yōu)解對應(yīng)的描跡就是最終提取的斜測電離圖F2層描跡.

1.1 確定fMUFEs和p′Es

Es層一般出現(xiàn)在距地面上方100～120 km處,位置比較固定.文中設(shè)定Es層距地面高度為110 km.進行斜向探測時,發(fā)射機與接收機之間的地面距離D已知,因此可根據(jù)公式(1)計算出Es層出現(xiàn)在斜測電離圖中的大致位置:

(1)

pmaxEs=pEs+10×Δp′;

(2)

pminEs=pEs-10×Δp′.

(3)

式中,Δp′為斜測電離圖的群路徑分辨率.為了找出Es層出現(xiàn)在電離圖中的真實位置p′Es,以pEs為中心增加和減小一定閾值作為Es層出現(xiàn)在斜測電離圖中的距離范圍的上限(pmaxEs)和下限(pminEs),如式(2)和(3)所示.然后在該距離范圍內(nèi)找出頻率最大點.該點的頻率就是Es層的最大觀測頻率fMUFEs,該點的群路徑就是Es層出現(xiàn)在電離圖中的真實位置p′Es.如果在此范圍內(nèi)沒有回波信號,則認為斜測電離圖中不存在Es層,此時fMUFEs和p′Es的值均設(shè)為不適用(Not Applicable,NA).

1.2 提取斜測電離圖Es層描跡

Es層出現(xiàn)在斜測電離圖中的距離范圍為[pminEs,pmaxEs],在此范圍內(nèi)采用最小群時延理論進行Es層描跡提取,即每個頻點下,尋找最小群路徑對應(yīng)的點作為Es層前沿上的點.將所有的點按多元線性回歸模型擬合[7].先分別采用一元、二元和三元線性回歸模型擬合同一前沿,然后通過比較每個模型對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)來選擇最適合的模型,因為相關(guān)系數(shù)可表明模型與前沿點的吻合程度,且相關(guān)系數(shù)越大吻合程度越高.最后擬合的前沿曲線就是Es層描跡.

1.3 確定fXMUFF2和fOMUFF2

為了不影響電離圖F2層參數(shù)的提取,有必要去除電離圖Es層回波信號.Es層回波信號主要分布在pmaxEs以下,因此將位于pmaxEs以下的信號幅度設(shè)為0就可以完成Es層回波信號的去除.采用搜索窗口A(M,N)搜索F2層回波信號,其表達式為:

M=int[(ΔfL)/Δf]+1;

(4)

(5)

1.4 確定有關(guān)參數(shù)的初始值

在忽略地磁場和電子碰撞的影響下,采用正割定理和Martyn等效虛高定理,可將斜測電離圖轉(zhuǎn)化為垂測電離圖[9].正割定理說明,斜入射電波與垂直入射電波在同一高度反射時,它們的頻率滿足一定關(guān)系,如式(6)所示.因此,我們可以利用正割定理將Es層的最大觀測頻率和F2層的最大可用頻率(fMUFEs,fOMUFF2)分別轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的垂直入射頻率(fvEs,fvF2),如式(7)、(8)所示:

fv=f*secθ0;

(6)

fvEs=fMUFEs×secθ0;

(7)

fvF2=fOMUFF2×secθ0.

(8)

式中：θ0是電波進入電離層的入射角;f是斜入射電波頻率;fv是垂直入射電波頻率.

在§1.1中,我們獲取了Es層出現(xiàn)在斜測電離圖中的真實位置p′Es.p′Es對應(yīng)著等效垂直頻率為fvEs的信號的群路徑.Martyn等效虛高定理說明,斜入射波的反射虛高與等效垂直入射波的反射虛高相等.因此,在地面距離D已知的情況下,可通過式(9)求出Es層的反射虛高h′Es:

(9)

由于Es層出現(xiàn)在電離層中的位置較固定且半厚度很小,因此可近似地把fvEs當(dāng)作Es層的臨界頻率foEs,把h′Es當(dāng)作Es層出現(xiàn)在電離層中的真實高度.設(shè)定由式(8)計算出的fvF2為foF2的初始值.rm為最大電子濃度對應(yīng)的高度，rmF2的初始值根據(jù)經(jīng)驗值給出,白天電離層F2層的真實高度主要在200～400 km之間波動.因此,定義rmF2的初始值為(300+r0)km,r0為地球半徑.依據(jù)先驗知識,ym為電離層的半厚度，ymF2與rmF2之間存在一個合理的假設(shè),即ymF2=(rmF2-r0)/5.所以,定義ymF2的初始值為60 km.

1.5foF2,ymF2和rmF2的搜索空間

合適的搜索空間有助于快速準確地找出一組最優(yōu)參數(shù)使電離圖F2層描跡擬合效果最好.以各參數(shù)的初始值為中心,增加和減小一定閾值作為參數(shù)搜索空間的上限和下限.foF2、rmF2和ymF2的搜索空間為[foF2-init-2,foF2-init+2]、[rmF2-init-100,rmF2-init+100]和[ymF2-init-20,ymF2-init+40],其中后綴init代表參數(shù)的初始值.

1.6 確定foF2，ymF2和rmF2的最終值

采用混合遺傳算法從各參數(shù)的搜索空間中找出它們的最終值.為了構(gòu)建混合遺傳算法中的目標函數(shù),需要從真實的斜測電離圖F2層描跡上選擇若干數(shù)據(jù)點作為原始輸入數(shù)據(jù).

1.6.1 取點

利用邊界框和斜測電離圖回波特征判斷電離圖中的高角波個數(shù)并取點.定義邊界框,并找出邊界框內(nèi)滿足信號幅度為1和群路徑大于p′F2的點,其中群路徑大于p′F2的信號點都來自高角波,把這類點歸為T1.如果T1個數(shù)為0,認為斜測電離圖沒有高角波;如果T1個數(shù)不為0,則判斷T1來自一條高角波還是兩條高角波.對于高角波而言,具有相同群路徑卻頻率不同的兩個信號點,其中小頻率點來自O(shè)波,大頻率點來自X波.根據(jù)該特征,將T1按照群路徑從小到大排序,具有相同群路徑的兩個信號點,去除大頻率點,將剩下的點歸類為T2.如果T2中頻率小于等于fOMUFF2的點占T2總個數(shù)的60%及以上,認為斜測電離圖有兩條高角波;否則,認為斜測電離圖只有一條高角波.

1.6.2 提取電離圖F2層描跡

采用混合遺傳算法從搜索空間中獲取foF2,ymF2和rmF2的最終值,和在已知F2層電子濃度剖面情況下,利用文獻[10]給出的群路徑和地面距離解析公式正演計算出斜測電離圖F2層描跡,該內(nèi)容在文獻[8]中有詳細介紹,這里不再復(fù)述.

(a) 實測斜測電離圖

(b) 自動判讀后的電離圖注:圖中的紅色曲線表示合成的F2 層和Es 層描跡圖1 2010年8月26日13:00LT獲取的斜測電離圖

對于有兩條高角波的斜測電離圖而言,獲取了foF2的最終值,fxF2的最終值也可以確定.圖1展示了有兩條高角波的斜測電離圖描跡和參數(shù)的自動提取效果.

2 結(jié)果與分析

為了驗證自動提取方法的有效性,對獲取的120張斜測電離圖進行了描跡和參數(shù)的自動提取,并將自動提取結(jié)果與其人工提取結(jié)果進行比較,比較結(jié)果如表1所示.

由表1可知,fMUFEs、p′Es、fXMUFF2,fOMUFF2的自動判讀結(jié)果的可接受率超過90%，精確率超過50%.foEs、h′Es、fxF2、foF2的自動判讀結(jié)果的可接受率低于fMUFEs、p′Es、fXMUFF2、fOMUFF2,其中foF2、fxF2的可接受率在80%左右,foEs、h′Es的可接受率在60%～70%之間.以上結(jié)果表明,本文提出的自動提取方法能夠較準確地提取出斜測電離圖參數(shù),特別是參數(shù)fMUFEs、p′Es、fXMUFF2、fOMUFF2.

表1中前4個參數(shù)的精確率和可接受率明顯高于后4個參數(shù).因為前4個參數(shù)可以直接從斜測電離圖中提取,而后4個參數(shù)不能.參數(shù)foEs、foF2和h′Es是分別利用正割定理和Martyn等效虛高定理將fMUFEs、fOMUFF2和p′Es近似轉(zhuǎn)化得到的.由于正割定理和Martyn等效虛高定理是在假設(shè)地面和電離層是水平面的前提下才成立,當(dāng)斜向探測距離不能近似為水平面時,轉(zhuǎn)化出來的參數(shù)值跟實際值存在偏差.另外，foF2、fxF2、foEs、h′Es可以直接從垂測電離圖中提取,所以想要獲取更加精確的foF2、fxF2、foEs、h′Es值,可以對垂測電離圖進行自動提取[15].雖然在對斜測電離圖進行自動提取的過程中提供的foF2、fxF2、foEs、h′Es的可接受率不如fMUFEs、p′Es、fXMUFF2、fOMUFF2,但是在沒有垂測電離圖的條件下,它們是具有參考和利用價值的.

表1 斜測電離圖參數(shù)自動提取結(jié)果正確率的百分比統(tǒng)計

3 結(jié) 論

本文提出了一種自動提取方法，用來獲取斜測電離圖F2層和Es層的描跡和參數(shù).該方法采用QP模型描述電離層F2層電子濃度分布,采用正割定理、Martyn等效定理和圖像處理技術(shù)確定電離層狀態(tài)參數(shù)的初始值和搜索空間.然后利用最小群時延和殘差分析提取Es層描跡.最后根據(jù)合成的斜測電離圖F2層描跡與真實描跡的吻合程度,使用混合遺傳算法從搜索空間內(nèi)找出一組最優(yōu)參數(shù).為了驗證自動提取方法的有效性,對120張斜測電離圖的描跡和參數(shù)進行自動提取,將自動提取結(jié)果與人工提取結(jié)果進行比較.結(jié)果顯示,fMUFEs、p′Es、fXMUFF2、fOMUFF2自動提取結(jié)果的可接受率超過90%,foF2、fxF2的可接受率在80%左右,foEs、h′Es的可接受率在60%～70%之間,說明該方法能夠較準確地提取出斜測電離圖參數(shù).

我們需要采集更多的數(shù)據(jù)進一步完善該方法以提高自動判讀性能.未來的研究方向包括:應(yīng)用該方法判讀從不同地區(qū)獲取的斜測電離圖,采用QP模型描述斜測電離圖的電子濃度分布.

[1]REDDING N J.Image understanding of oblique ionograms：the autoscaling problem[C]//Australian and New Zealand Conference on Intelligent Information Systems.Adelaide, November 18-20, 1996:155-160.

[2]凡俊梅, 魯轉(zhuǎn)俠, 焦培南.電離層斜向傳播模式的智能識別[J].電波科學(xué)學(xué)報, 2009, 24(3)：471-475.

FAN J M, LU Z X, JIAO P N.The intelligentized recognition of oblique propagation modes[J].Chinese journal of radio science, 2009, 24(3)：471-475.(in Chinese)

[3]胡耀垓, 宋歡, 趙正予, 等.斜測電離圖F2層描跡的自動判讀[J].華中科技大學(xué)學(xué)報：2014, 42(9)：49-54.

HU Y G, SONG H, ZHAO Z Y, et al.Automatic scaling of F2 layer trace from oblique ionogram[J].Journal of Huazhong University of Science &Technology, 2014, 42(9)：49-54.(in Chinese)

[4]LUCAS D L, HAYDON G W.Predicting statistical performance indices for high frequency telecommunication systems[R].ESSA Technical Report IER 1-ITSA-1.Boulder：U.S.Department of Commerce, 1966.

[5]BASLER R P, SCOTT T D.Ionospheric structure from oblique-backscatter soundings[J].Radio science, 1973, 8(5)：425-429.

[6]HUAN S, HU Y G, JIANG C H, et al.Automatic scaling of HF swept-frequency backscatter ionogram[J].Radio science, 2015, 50：381-392.

[7]CHEN Z, WANG S, ZHANG S, et al.Automatic scaling of F layer from ionograms[J].Radio science, 2013, 48：334-343.

[8]宋歡, 胡耀垓, 趙正予, 等.基于混合遺傳算法的斜測電離圖參數(shù)反演[J].地球物理學(xué)報, 2014, 57(3)：703-714.

SONG H, HU Y G, ZHAO Z Y, et al.Inversion of oblique ionogram based on hybrid genetic algorithm[J].Chinese journal of geophysics, 2014, 57(3)：703-714.(in Chinese)

[9]CHEN G, ZHAO Z Y, ZHANG Y N, et al.Application of the oblique ionogram as vertical ionogram[J].Science China technological sciences, 2012, 55(5)：1240-1244.

[10]JIANG C, YANG G, ZHAO Z, et al.An automatic scaling technique for obtaining F2parameters and F1critical frequency from vertical incidence ionograms [J].Radio science, 2013, 48：739-751.

王大鵬 (1985-),男,陜西人,武漢大學(xué)電子信息學(xué)院碩士研究生,研究方向為雷達設(shè)計與通訊保障．

胡耀垓 (1972-),男,湖北人，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院教授,研究方向為空間探測與信息處理技術(shù)、人工影響空間環(huán)境的理論及應(yīng)用.

The intelligentized extraction of the traces from oblique ionogram

WANG Dapeng1, 2SONG Huan1HU Yaogai1XIE Cun2ZHAO Zhengyu1

(1.SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China;2.WuhanMechanicalTechnologySchool,Wuhan430075,China)

This paper describes an automatic scaling method for extracting the trace and parameters from oblique ionogram.The proposed technique adopts quasi-parabolic(QP) model to describe the electronic concentration distribution of F2layer.The secant theorem, Martyn’s equivalent path theorem, image processing technology and echo characteristics of ionogram are used to determine the final values of some parameters.Then, the hybrid genetic algorithm is used to find a set of optimal parameters within the scope of search spaces to make sure that the synthesized F2layer trace accords with the real trace best.In order to verify the performance of this method, 120 oblique ionograms are scaled and their results are compared with manual scaling results and vertical data.Comparison results show that the method can accurately scale oblique ionogram parameters.

oblique ionogram;automatic scaling;hybrid genetic algorithm

王大鵬, 宋歡, 胡耀垓, 等.斜測電離圖描跡的自動提取[J].電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(5):957-961.

10.13443/j.cjors.2015110604

WANG D P, SONG H, HU Y G, et al.The intelligentized extraction of the traces from the oblique ionogram[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):957-961.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2015110604

2015-11-06

國家自然科學(xué)基金(No.41327002, 41375007)

P352

A

1005-0388(2016)05-0957-05

聯(lián)系人：宋歡 E-mail：songhuan@whu.edu.cn