垂直探测电离图净化算法研究及实现

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1、数据称为频高图，又称垂测电离数百台数字测高仪在连续的观测记录频高图，每年至少观测记录200万张以上的频高其中只有25%左垂直探测电离图净化算法研宄及实现摘要：该文基于我国东南沿海某电离层观测站的垂测电离图，将电离图净化的操作分为背景噪声删除、散点信号删除和多模多径信号删除三个步骤，通过将模糊几何法与统计滤波相结合，有效删除垂测电离图的噪声干扰信号，同时，利用多模多径信号能量、距离及高度特性对多模多径信号进行了有效抑制。为后期电离层描迹提取和特征参数的度量奠定良好的基础，该算法具有非常强的通用性和易于实现性，对

2、于实际项目有较高的参考价值。关键词：垂直探测；电离图；自动判读；多模多径中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号:1009-3044(2017)08-0198-03利用数字测高仪对电离层进行垂直探测是目前地面观测研宄电离层的最为重要的探测方法，由数字测高仪接收在不同频率上由电离层反射的回波，获得的。目前国内外共有右被可靠的度量和反演(TsaiandBerkey,2000),而由有经验的工作者手工度量和反演这些频高图是个耗时费力的工作。故借助计算机等技术，对频高图进行自动度量和反演分析是国际上一直在努力解决

3、的重要问题。由于环境噪声与干扰、仪器的热噪声、电离层的时变色散等特性以及多模多径信号的存在，使得频高存在大量的干扰、噪声以及无用信号，是电离图自动判读的最大难点所在，严重影响软件自动度量的准确度，因此电离图净化在垂测电离图的自动度量中尤为重要。电离图净化主要是实现对垂测电离图中干扰和噪声数据的删除以及对影响自动识别的多模多径信号的抑制。电离图净化是各层描迹提取的基础，对于一个实测电离图，首先采用电离图净化算法，获得干净的电离图。这步操作对自动判读算法实现的准确性起到了至关重要的作用，而这步操作的难点则在于抑制

4、程度难以把握。为了让干扰噪声得到有效抑制则有可能会损失有用信号，而为了保证完整的信号信息则有可能保留一部分噪声信号，为后续描迹外推提取造成干扰，算法实现中对这一矛盾给予了综合考虑。1电离图净化方法垂测电离图中存在的信号类型主要干扰有背景噪声、干扰信号、多模多径信号以及垂测所需的信号。电离层的时变色散等特性导致电离图的千变万化，描迹的多样性是电离图自动判读的最大难点所在。因此法首先要解决的问题就是如何保留所需信号而删除干扰、噪声及无用信号，为后续描迹提取奠定良好基础。本算法根据干扰类型，使用三种处理方式。1.1

5、背景噪声删除去噪算法多种多样，在算法研宄试验中曾使用了自适应中值滤波法、统计滤波法、均值滤波法及根据各信道幅度确定门限进行底噪删除等等，具体方法的选取应视数据的实际情况而定。根据大量实测数据的噪声特点（信号能量相对较强，底噪分布均匀，同频干扰不明显），本文最终选取模糊几何法结合统计滤波的方法进行噪声的删除。模糊几何法去噪，利用了归属程度的概念，通过计算各数据点的归属程度并确定其门限进行噪声删除具体方法如下：a）求各像素点的归属程度u其中p表示该点的幅度值，a，b和c是幅度参数，a和c取决于系统，和噪声及信号的

6、强度有关，b=（a+c）/2。b）确定归属程度门限值ct信号的归属程度越大则其属于回波信号的可能性越大，因此可以确定一个归属程度门限值a来删除背景噪声。具体门限大小要视具体数据而定。1.2散点噪声删除经过上述背景噪声的删除处理后，电离图上大部分噪声就被删除了，但仍有一些能量较强的离散噪声被保留下来，所以进一步根据电离图各层描迹的发育特点利用统计滤波的方法进行噪声删除。具体方法如下：对自定义的每个小窗口内，统计非零数据点的个数和窗口内所包含的全部像素点数的比值，若超过某一门限值Th（该值要根据大量数据统计确定）

7、，则认为此区域内是信号点；否则保留幅度值超过一定值Vx的数据点。值Vx是根据信号与噪声之间的能量上的区别，正常情况下，噪声的幅度不会达到这么高，甚至多跳的一些信号也不能有这么高的能量，这样就可以保证F2层临频附近较离散的信号点保留下来，保证加foF2参数的提取精度。但有时若信号能量也较弱时仍会导致信号的丢失，这在后续的算法中会加以修正。1.3多模多径信号删除由于后续描迹提取采用的主要方法是约束外推法各描迹的识别是基于逐频率搜索外推方式进行的，因此，真正描迹周围越干净（没有干扰信号点），外推的准确率越高，从而保

8、证正确识别各描迹。常规方法只能处理常规电离图，但由于电离层的多模多径性，电离图也相应存在多跳等不需要的多模多径信号，该信号常常会和常规信号距离接近（如图4所示）。从图4可以看出，Es的二跳信号与FI层的低频信号连在一起，这样在通过约束外推搜索F层描迹时将会错误地把Es二跳信号作为F1进行提取，影响外推正确率，从而导致最终的描迹信息及特征参数判读错误。因此，必须对这些干扰信号进行删除。因此，需要对多模