基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電離層頻高圖F層自動(dòng)度量.pdf

1、電離層物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)為基礎(chǔ)的科學(xué)，在電離層的觀測(cè)研究中，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)設(shè)備的研發(fā)和使用占據(jù)著十分重要的地位。電離層數(shù)字測(cè)高儀是一種常用的在地面利用無(wú)線電掃頻方式進(jìn)行電離層探測(cè)的常規(guī)設(shè)備，在對(duì)電離層長(zhǎng)期不間斷的觀測(cè)中，測(cè)高儀積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)-頻高圖，通過(guò)對(duì)頻高圖的度量和反演可以得到電離層的各種特征參數(shù)以及電子密度剖面以實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層的監(jiān)測(cè)、研究和預(yù)報(bào)。傳統(tǒng)的頻高圖度量都是采用手工模式，工作量很大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此以計(jì)算機(jī)程序?yàn)楹诵牡淖詣?dòng)度量

2、勢(shì)在必行。本文提出一種基于BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頻高圖F層自動(dòng)度量方法，通過(guò)將該方法應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)室新研制的數(shù)字測(cè)高儀PDI(Portable Digital Ionosonde)所探測(cè)的頻高圖自動(dòng)度量中獲得了初步結(jié)果。
　　首先，系統(tǒng)地介紹了電離層以及電離層探測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)、無(wú)線電測(cè)量原理、觀測(cè)設(shè)備以及觀測(cè)模式，其中重點(diǎn)介紹了常規(guī)的地面無(wú)線電探測(cè)方法-電離層數(shù)字測(cè)高儀，并說(shuō)明了電離層數(shù)字測(cè)高儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)-

3、頻高圖所包含的內(nèi)容和含義，引出自動(dòng)度量在電離層觀測(cè)研究中的重要作用，綜述了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的各種自動(dòng)度量方法，包括ARTIST方法、約束外推法、模糊幾何法、輪廓擬合法、EOF方法等，并介紹了各自的優(yōu)勢(shì)、場(chǎng)合以及存在的局限性，進(jìn)而提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)度量方法。
　　其次，詳細(xì)地介紹了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及自適應(yīng)訓(xùn)練擬合技術(shù)，并采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)電離層頻高圖F層自動(dòng)度量的新方法。該方法首先在電離層頻高圖中每個(gè)頻率上根據(jù)接收信號(hào)的信噪比計(jì)算

4、出噪聲平均功率，并將噪聲平均功率值作為局部閾值去除該頻率上信號(hào)功率低于閾值的噪聲信號(hào)，進(jìn)而根據(jù)多次回波和回波泄漏的波形特征并以O(shè)波和X波的回波幅度為參照去除多次回波和回波泄漏；采用A45方法將頻高圖的一次測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單元點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)后期復(fù)雜的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合處理的預(yù)處理；將預(yù)處理后的單元點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理，采用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)訓(xùn)練擬合單元點(diǎn)坐標(biāo)值獲取O波和X波F層描跡；根據(jù)描跡斜率變化尋找F1和F2層的分界點(diǎn)并判讀參數(shù)h’F1、

5、foF1和h’F2，采用雙曲線擬合技術(shù)補(bǔ)償F2層臨界頻率區(qū)域丟失信號(hào)并完成foF2參數(shù)判讀，最終實(shí)現(xiàn)F層電離層特征參數(shù)的自動(dòng)度量。
　　最后，將實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)度量方法應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的電離層數(shù)字測(cè)高儀長(zhǎng)期觀測(cè)所測(cè)量數(shù)字頻高圖的自動(dòng)度量中，獲得了初步的觀測(cè)度量結(jié)果。統(tǒng)計(jì)了F2層參數(shù)自動(dòng)度量結(jié)果的可接受率并且分析了其中少量自動(dòng)度量失效的原因，結(jié)果顯示自動(dòng)度量的foF2和h’F2可接受率分別達(dá)到81％和78%，表明該方法具有較好的可靠