[发明专利]一种融合数据预处理的垂测电离图反演方法

说明书

技术领域

本发明涉及电离层研究及应用领域，尤其涉及一种融合数据预处理的垂测电离图反演方法。

背景技术

垂测电离图的反演对研究电离层结构和电离层波传播问题具有重要意义，利用垂测电离图反演电离层剖面（电离层高度与等离子体频率或电子浓度的对应关系）一直以来受到十分广泛的重视，然而反演具有相当大的难度。目前，垂测电离图反演方法可以归纳为两种：一种为直接计算法，该方法根据电离层真实高度和虚高的对应关系，直接由实测虚高计算得到电离层真实高度；另一种为模式法，该方法假设电离层剖面可用某种模型表征，通过寻找使基于该模型合成的垂测描迹与实测描迹在某种意义上最佳吻合的模型参数来确定电离层剖面。

基于直接计算法思想，Titheridge等公开了一种基于交叠多项式模型反演电离层剖面的方法，该方法中，通过探测频率上的测量虚高计算其真实反射高度，每个频率上，考虑高于和低于所计算频率两部分的观测情况确定5个多项式系数，从而确定电离层剖面。该方法由于直接基于实际探测数据，因而数据质量对其精度影响较大，少量的虚高数据缺失会直接导致计算剖面出现振荡，大量的数据缺失将带来剖面的大幅变形及移位，而由于探测设备及电离层衰落，实际探测虚高数据的缺失是不可避免的。另外，一些对探测虚高数据的直接插值方法，未结合电离层传播特性，对非各层临频附近的少量数据缺失可以起到较好的插值，但对较多或大量数据缺失及各层临频附近的数据缺失可能得到完全错误的插值结果，更加增大了剖面的计算误差。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提出了融合数据预处理的垂测电离图反演方法，即首先构建多项式电离层模型；然后结合实测虚高数据，在剖面连续光滑的约束条件下，通过搜索、迭代的方法获得多项式电离层模型的系数，从而实现缺失实测数据的有效外推补偿预处理；最后基于预处理后的的虚高数据，通过电离层交叠多项式模型，求解每个频率对应的多项式系数，直接计算确定最终的电离层剖面。

本发明的技术方案提供一种融合数据预处理的垂测电离图反演方法，所述方法包括以下步骤：步骤A、构建多项式电离层模型；步骤B、基于建立的电离层模型，结合实测虚高数据，在剖面连续光滑的约束条件下，通过搜索、迭代的方法获得多项式电离层模型的系数，从而对缺失实测数据进行外推补偿预处理；步骤C、设定频率f₁、f₂对应的实高h₁、h₂，基于连续的预处理虚高数据，计算平均群折射指数和交叠多项式系数，从而计算频率f_i（i=3,4,5,…,n-1）的实高；步骤D、计算最大频率f_n对应的实高h_n；步骤E、计算电离层峰高。

进一步，所述步骤A具体为：

构建E层和谷层剖面用抛物模型表示，F₁层和F₂层剖面用多项式模型表示，具体形式如式(1)所示：

E层和谷层的连接点位于E层峰高h_mE，谷层与F₁层的连接点位于高度h₂处，并且在高度h₂处的等离子体频率等于E层临频f_CE，谷层包括两个部分：与E层的连接部分和与F₁层的连接部分，这两部分的连接点位于高度h₁处，F₁层与F₂层连接点位于F₁层峰高h_mF1处，式(1)中各符号的具体含义如下：

1）E层：

f_NE表示E层等离子体频率；f_CE表示E层临频；h_mE表示E层峰高；y_mE表示E层半厚；h_bE＝h_mE-y_mE表示E层底高；

2）谷层：

f_NV表示谷层等离子体频率；f_CV表示谷层最小等离子体频率；h_mV表示谷层等离子体频率为f_CV时对应的电离层高度；y_mV表示谷层半厚；h₂＝h_mE+W，W定义为谷层宽度；

3）F₁层：

T_i(g)为多项式具有式(2)所示形式：