基于圖像處理的電離層垂測電離圖自動度量方法研究.pdf

1、作為“太陽活動的反光鏡”和“大氣擾動的放大鏡”，電離層研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和社會經(jīng)濟(jì)價值。電離層的特征參數(shù)能夠反映電離層狀況，然而，電離層特征參數(shù)主要依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的工作者人工度量電離圖得到，該方法不僅費(fèi)時、費(fèi)力，且無法避免人為主觀因素造成的度量差異。因此，電離圖的自動度量問題一直受到科研人員的廣泛關(guān)注。
　　 本文基于中國電波傳播研究所在全國不同緯度地區(qū)觀測站所采用的自主研制的TYC-1型電離層垂測儀，以電離層平靜狀態(tài)下觀測所

2、得常規(guī)垂測電離圖為研究對象，在分析電離層的分層結(jié)構(gòu)、垂測電離圖的特征以及電離層特征參數(shù)的度量等理論的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外已有電離圖自動度量方法，結(jié)合圖像處理相關(guān)技術(shù)，通過“電離圖預(yù)處理-電離圖分割-電離圖識別”對垂測電離圖自動度量的方法進(jìn)行探索和研究，主要工作包括：
　　 1.在電離圖預(yù)處理環(huán)節(jié)中，基于垂測儀探測原理，將垂測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為灰度圖像；根據(jù)電離層反射回波信號特點(diǎn)，結(jié)合灰度形態(tài)學(xué)操作、鄰域增強(qiáng)以及Otsu自動閾值去噪方法在保

3、持描跡結(jié)構(gòu)及形態(tài)特征不變的前提下，去除噪聲，得到電離圖二值圖像，通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)處理方法的有效性。
　　 2.在電離圖分割環(huán)節(jié)中，針對存在的高頻區(qū)強(qiáng)干擾，基于電離圖描跡的區(qū)域范圍，利用圖像垂直投影積分法實(shí)現(xiàn)有效頻帶分割；結(jié)合電離層的分層結(jié)構(gòu)以及E-F谷區(qū)所在高度范圍，采用分割線定位算法實(shí)現(xiàn)了電離圖E區(qū)、F區(qū)的分割，通過實(shí)驗(yàn)證明該方法是可行、有效的。
　　 3.在電離圖識別環(huán)節(jié)中，主要采用圖像處理相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)F區(qū)描跡識

4、別和參數(shù)判讀以及E區(qū)描跡檢測。
　　 (1)采用圖像處理相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)F區(qū)描跡識別和參數(shù)判讀利用連通成分標(biāo)記以及圖像旋轉(zhuǎn)投影積分法，結(jié)合F層描跡與二次反射干擾之間的形態(tài)相似性以及區(qū)域位置關(guān)系，去除F層二次反射干擾；針對F層臨頻處描跡經(jīng)常存在斷裂現(xiàn)象，結(jié)合Hough變換檢測描跡并連接斷裂；針對F層主描跡中O波X波經(jīng)常交疊的現(xiàn)象，首先采用圖像骨架化、骨架關(guān)鍵點(diǎn)檢測以及骨架分解方法提取出O波描跡骨架，然后結(jié)合形態(tài)學(xué)操作提取出O波描跡；針

5、對F層的分層問題，采用基于最小二乘原理的多項(xiàng)式擬合法確定F1、F2分層點(diǎn)；根據(jù)電離圖度量規(guī)則，結(jié)合圖像投影法讀取電離層參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，在不考慮發(fā)生Es層干擾或遮蔽的情況下，該方法可以取得較好的效果。
　　 (2)E區(qū)描跡檢測基于電離圖度量規(guī)則以及對E區(qū)描跡特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合E區(qū)單次反射描跡的高度范圍，利用連通成分標(biāo)記以及圖像水平投影法檢測E區(qū)描跡，為E區(qū)常出現(xiàn)的無描跡狀況下相關(guān)電離層參數(shù)的度量做準(zhǔn)備。通過實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，取得了較