基于图像处理的电离层垂测电离图自动度量方法研究

摘要

作为“太阳活动的反光镜”和“大气扰动的放大镜”，电离层研究具有重要的学术意义和社会经济价值。电离层的特征参数能够反映电离层状况，然而，电离层特征参数主要依靠经验丰富的工作者人工度量电离图得到，该方法不仅费时、费力，且无法避免人为主观因素造成的度量差异。因此，电离图的自动度量问题一直受到科研人员的广泛关注。
　　 本文基于中国电波传播研究所在全国不同纬度地区观测站所采用的自主研制的TYC-1型电离层垂测仪，以电离层平静状态下观测所得常规垂测电离图为研究对象，在分析电离层的分层结构、垂测电离图的特征以及电离层特征参数的度量等理论的基础上，借鉴国内外已有电离图自动度量方法，结合图像处理相关技术，通过“电离图预处理-电离图分割-电离图识别”对垂测电离图自动度量的方法进行探索和研究，主要工作包括：
　　 1.在电离图预处理环节中，基于垂测仪探测原理，将垂测数据转换为灰度图像；根据电离层反射回波信号特点，结合灰度形态学操作、邻域增强以及Otsu自动阈值去噪方法在保持描迹结构及形态特征不变的前提下，去除噪声，得到电离图二值图像，通过对比实验验证了预处理方法的有效性。
　　 2.在电离图分割环节中，针对存在的高频区强干扰，基于电离图描迹的区域范围，利用图像垂直投影积分法实现有效频带分割；结合电离层的分层结构以及E-F谷区所在高度范围，采用分割线定位算法实现了电离图E区、F区的分割，通过实验证明该方法是可行、有效的。
　　 3.在电离图识别环节中，主要采用图像处理相关技术实现F区描迹识别和参数判读以及E区描迹检测。
　　 (1)采用图像处理相关技术实现F区描迹识别和参数判读利用连通成分标记以及图像旋转投影积分法，结合F层描迹与二次反射干扰之间的形态相似性以及区域位置关系，去除F层二次反射干扰；针对F层临频处描迹经常存在断裂现象，结合Hough变换检测描迹并连接断裂；针对F层主描迹中O波X波经常交叠的现象，首先采用图像骨架化、骨架关键点检测以及骨架分解方法提取出O波描迹骨架，然后结合形态学操作提取出O波描迹；针对F层的分层问题，采用基于最小二乘原理的多项式拟合法确定F1、F2分层点；根据电离图度量规则，结合图像投影法读取电离层参数。实验表明，在不考虑发生Es层干扰或遮蔽的情况下，该方法可以取得较好的效果。
　　 (2)E区描迹检测基于电离图度量规则以及对E区描迹特点的统计分析，结合E区单次反射描迹的高度范围，利用连通成分标记以及图像水平投影法检测E区描迹，为E区常出现的无描迹状况下相关电离层参数的度量做准备。通过实验统计分析，取得了较高的检测正确率，验证了该方法的可行性。