CC BY
99
Автоматическая обработка данных ЛЧМ-зонднровання ионосферы для оценки геофизических параметров
Недопёкин А.Е., Щирый А.О.
Марийский государственный университет, Йошкар-Ола agasfer911 @yandex.ги. [email protected]
Аннотация. В работе представлены разработанные авторами алгоритмы для автоматического определения важнейших ионосферных параметров по данным радиозондирования ионосферы: диапазонов распространения и критических частот.
Ключевые слова: радиозондирование ионосферы, наклонное зондирование, вертикальное зондирование, выделение сигнала на фоне помех.
1 Введение
Дистанционное радиозондирование ионосферы предназначено для получения данных о динамических процессах в ионосферной плазме. Такие данные важны для различных областей геофизики и радиофизики, а также для решения прикладных задач в областях радиосвязи, радиолокации и навигации. Наиболее перспективным видом зондирующего радиосигнала является сигнал с линейно-частотной модуляцией (JI4M) [Филипп, 1991].
В ходе круглосуточных круглогодичных измерений накапливаются значительные объемы экспериментальных данных. Возникает потребность в автоматизации их обработки. Важнейшими макропараметрами, характеризующими состояние ионосферного распространения KB радиосигнала, являются диапазон распространения для данной радиолинии — наименьшая наблюдаемая частота (ННЧ) и максимальная наблюдаемая частота (МНЧ), получаемые по ионограмме наклонного зондирования и критическая частота ионосферного слоя F2, получаемая по ионограмме вертикального зондирования.
Результат работы наклонного ионозонда представляется в виде ионограммы, являющейся зависимостью времени группового запаздывания (вертикальная ось) Ни амплитуды сигнала (изображается цветом или яркостью) от рабочей частоты (горизонтальная ось). Результат работы вертикального ионозонда представляется в виде ионограммы, являющейся зависимостью "действующей" высоты отражения (вертикальная ось) и амплитуды сигнала (изображается цветом или яркостью) от рабочей частоты (горизонтальная ось) [Филипп, 1991].
Цель работы — разработка алгоритмов для автоматического определения диапазонов распространения сигнала по ионограмме
Автоматическая обработка данных ЛЧМ-зондирования ионосферы
_для оценки геофизических параметров
наклонного ЛЧМ зондирования и определения критических частот по ионограмме вертикального ЛЧМ зондирования.
Первым этапом автоматической обработки данных радиозондирования должно быть автоматическое выделение спектральных компонентов сигнала ("полезного сигнала") из смеси сигнала и помех различного рода [Колчев и др., 2007а; Колчев и др., 2007с].
2 Выделение полезного сигнала на ионограмме
Более ранний вариант алгоритма был разработан при участии одного из авторов в [Колчев и др., 2007Ь]. В данной работе представлен модифицированный вариант алгоритма.
При ЛЧМ зондировании передатчик излучает сигнал вида:
а( 0 = ехр2я/
/о*+ 0.5/-Г
*е[0,Г], (1)
где / - скорость изменения частоты, Т - длительность излучения сигнала.
Сигнал, прошедший ионосферу, перемножается в приемнике на когерентный ему сигнал гетеродина, после чего происходит прохождение сигнала через фильтр нижних частот. Разностный сигнал, частота которого пропорциональна времени группового запаздывания в радиоканале, поступает на спектральную обработку. Сигнал разбивается на элементы анализа длительности 7э, обычно 1 с. Ионограмму можно интерпретировать как изображение или как двумерный массив данных. Анализ данных в частотной области позволяет разделять отдельные моды сигнала (рис. 1а).
Так как моды ЛЧМ-сигнала хорошо разделяются в частотной области, то все дальнейшие рассуждения изложены для анализа амплитудных спектров после применения к элементам анализа дискретного преобразования Фурье. Сосредоточенные помехи различной частотно-временной структуры осложняют выделение сигнала, так как статистическая картина отличается от аналогичных случаев для узкополосных каналов [Гуревич, 2007; Колчев и др., 2011], для анализируемых выборок характерна априорная непараметрическая неопределенность. Постоянно изменчивы не только параметры распределений выборки, но и сам вид распределений. В этом случае применяют подход, основанный на выделении в спектральной выборке смеси сигнал-шум (сигнал-помеха), аномально больших отсчетов, которые будут принадлежать сигналу [Колчев и др., 2012а; Колчев и др., 2012Ь]. Например [Недопекин, 2013], при помощи статистики Кохрена, адаптированной по результатам моделирования, можно выделять отсчеты сигнала в частотной области для каждого спектра. Вначале вычисляется статистика Кохрена для тестируемого отсчета х*:
(2)
где сумма берется по первым 90% вариационного ряда выборки числом I, заведомо не содержащим аномальных отсчетов. Затем проверяется критерий принадлежности отсчета к аномальным путем проверки условия:
к> 2.2-^)5, (3)
где е - эксцесс выборки, вычисленный по первым / элементам вариационного ряда.
Результат применения критерия выделения (2) к ионограмме на рис. 1а представлен на рис. 16. Изображение ионограммы с выделенным сигналом представлено в бинарном формате.
Рис. 1. Ионограмма на радиотрассе Кипр-Йошкар-Ола, 30 мая 2012 г, 10:45:15 МСК
(до и после выделения сигнала)
Критерий выделения инвариантен к виду закона распределения анализируемой выборки и использует только определенные по ней эмпирические данные. Применение критерия к каждому спектру (столбцу) ионограммы позволяет выделить сигнал (очистить ионограмму от шумов).
3 Фильтрация и сглаживание границ
После выделения на ионограмме присутствует множество областей, не все из которых заняты сигналом, некоторые выделенные отсчеты могут являться квазисигнальными выбросами, обусловленными преобразованием сосредоточенной помехи при сжатии сигнала в частотной области при умножении на сигнал гетеродина в приемнике. Сами моды оказываются фрагментированными. Для устранения этих недостатков и сглаживания границ двумерных областей можно воспользоваться фильтрацией. Двумерный медианный фильтр с размером окна 5x5, сдвигаясь по столбцам и строкам по одной точке ставит в центр окна значение 1, если
Автоматическая обработка данных ЛЧМ-зондирования ионосферы
_для оценки геофизических параметров
более, чем в половине (0,5) точек в окне фильтра стоят 1. Как вариант возможно обобщение медианного фильтра до квантильного с любым разумным порогом сравнения (0,4-0,7). С уменьшением значения области будут получаться более огрубленными, отдельные ветви одной области могут сливаться и в ряде случаев могут сливаться отдельные моды, что нежелательно. После фильтрации оставшиеся мелкие объекты зануляются, если в ближайшей окрестности (в окне 3x3) имеют менее, чем к соседей, определенных как отсчеты сигнала.
На рис. 2 представлены результаты подобной двумерной медианной фильтрации с величинами порога к, равными 1, 2 и 3, которым соответствуют изображения а), б) и в) соответственно. Как видно из рисунка, при увлечении увеличением порога даже связные области могут фрагментироваться.
1 1 Г \ * -Л 1 1 1 » г к чЦЙЬь ■ V * 1 1 * *
1 1 1 ( 1 1 1 < 1
а) о) в)
Рис 2.
4 Выделение границ
Для ионограммы с выделенным сигналом, интерпретируемой как двумерный массив данных или монохромный растр, происходит выделение границ областей, занятых сигналом. Для этого вычисляются суммы столбцов по горизонтали и вертикали. Суммирование по горизонтали позволяет определить диапазон времен группового запаздывания радиосигнала (в данной работе не рассматривается). Суммирование по вертикали позволяет определить частотный диапазон распространения радиосигнала. Нахождение границ производится путем просмотра полученных массивов и определения граничных элементов. Для устранения влияния оставшихся помех и одиночных выбросов, решение о выборе границы принимается не по ненулевому значению, а при превышении значением определенного заданного порога (рис.3).
Таким способом автоматически вычисляются ННЧ и МНЧ по иоиограмме наклонного зондирования. Аналогичным образом по ионограмме вертикального зондирования вычисляется и критическая частота слоя Б2, с точки зрения обработки данных (в большинстве случаев) являющаяся аналогом МНЧ, а с точки зрения геофизики — важнейшей характеристикой состояния ионосферной плазмы и входным параметром для построения профиля электронной концентрации по модели 1М.
Й1 1 | к ь 1
■ ■'' ........ ■'' ................................. ■ ■ ■ I' ■ ■ ......... ■ ■ ■ I' ■ ■ I ■'' I ■ ■ ■ I ■ ■ ...................
Г 8 9 10 11 12 13 14 15 1Б 17 10 13 20 21 22 23 2$ 25 2В 27 25 29 30 31 32 33
Рр. МГ и
Рис 3. Ионограмма радиолинии Кипр-Диксон, 08 апреля 2011 г, 10:25:10 ИТС
5 Заключение
В работе представлены разработанные авторами алгоритмы для автоматического определения диапазонов распространения сигнала по ионограмме наклонного ЛЧМ зондирования и определения критических частот слоя ¥1 по ионограмме вертикального ЛЧМ зондирования. Важнейшей составной частью указанных алгоритмов является алгоритм выделения полезного сигнала на ионограмме.
Представленные алгоритмы реализованы программно в составе аппаратно-программного комплекса радиозондирования ионосферы [Щирый, 2007; Колчев и др., 2008; Колчев и др., 2013].
Автоматическая обработка данных ЛЧМ-зондирования ионосферы _для оценки геофизических параметров
6 Список литературы
[Гуревич, 2007] Гуревич А В Нелинейные явления в ионосфере // УФН, 2007 №177 С. 1145-1177.
[Колчев и др., 2007а] Колчев A.A., Щирый А.О. Оценивание параметров сосредоточенных по спектру помех на выходе приемника ЛЧМ ионозонда // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. - 2007, № 5. - с.54-61.
[Колчев и др., 2007b] Колчев A.A., Щирый А.О. Алгоритм автоматического выделения спектральных компонентов сигнала на ионограмме // Материалы десятого научно-практического семинара "Новые информационные технологии". - М.: Московский гос. ин-т электроники и математики, 2007. - ISBN 978-5-94506-171-2. - с.102-107.
[Колчев и др., 2007с] Колчев A.A., Шумаев В.В., Щирый А.О. Гибкоперестраиваемая методика измерения радиопомех // Технологии электромагнитной совместимости. -2007, № 1.- с. 50-54.
[Колчев и др., 2008] Колчев A.A., Шумаев В.В., Щирый А.О. Измерительный комплекс для исследования эффектов многолучевого ионосферного распространения коротких волн // Известия высших учебных заведений. Приборостроение.-2008,Т.51,№12,с.73-78.
[Колчев и др., 2011] Колчев A.A., Недопекин А.Е. Экспериментальное подтверждение априорной непараметрической неопределённости для сигнала ЛЧМ-ионозонда в спектральной области // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». Сборник научных статей. Тематический выпуск: Радиофизика и ионосфера. Харьков: НТУ «ХПИ». 2011. № 44. С. 91-100.
[Колчев и др., 2012а] Колчев A.A., Недопекин А.Е. Хобер Д. В. Применение методик выделения аномальных отсчетов при обработке KB сигнала с ЛЧМ // Изв. Вузов. Радиоэлектроника. 2012. Т.55. №9. С. 37-46.
[Колчев и др., 2012b] Колчев A.A., Недопекин А.Е., Щирый А.О., Хобер Д. В. Обработка сигнала ЛЧМ-ионозонда с учётом свойств априорной непараметрической неопределенности // XVIII Международная научно-техническая конференция "Радиолокация, навигация, связь" (RLNC'2012). Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ» ООО, 2012. Т.1. С. 612-617.
[Колчев и др., 2013] Колчев A.A., Щирый А.О., Недопекин А.Е. Математические модели и методики измерения АЧХ многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний: монография / Map. гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2013. 147 с.
[Недопекин, 2013] Недопекин А.Е. Адаптация стандартных критериев тестирования статистических выбросов для выделения сигнала ЛЧМ-ионозонда // Журнал радиоэлектроники. 2013. №9. С. 2.
[Филипп, 1991] Филипп Н. Д., Блауннггейн Н. Ш., Ерухимов Л. М., Иванов В. А., Урядов В. П. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере. - Кишинев: Штиинца, 1991. - 286 с.
[Щирый, 2007] Щирый А.О. Разработка алгоритмов для повышения точности измерения и расширения возможностей традиционного применения наклонного ионозонда // Системы управления и информационные технологии. - 2007, № 1.1(27). -с. 202-204.
