[发明专利]基于图像差分的全球电离层电子总含量异常探测方法

权利要求书

1.基于图像差分的全球电离层电子总含量异常探测方法，包括训练阶段和探测阶段，其特征在于，所述训练阶段包括：

(1)每天以等时间间隔采集K张全球电离层电子总含量热力图，连续采集N天；对采集的每幅图像，根据每个像素点所在的地方时调整水平位置，使纵坐标相同的像素点所在的地方时沿横轴正向增大；根据采集顺序构成原始图像序列S＝{Pic_k,n}，k＝1,2,…,K，n＝1,2,…,N；

(2)构建训练样本集，所述训练样本集中的第m个样本s_m包括输入样本数据和输出样本数据；其中输入样本数据包括原始图像序列S中从第m天开始的t天的原始图像序列、所述t天原始图像序列构成的t-1天的图像一次差分序列、所述t-1天的图像一次差分序列构成的t-2天的图像二次差分序列；输出样本数据为S中第m+t天的原始图像序列；t为大于2的整数；

(3)构建基于图像差分的全球电离层电子总含量预测模型，所述模型包括原始热力图支路、一次差分热力图支路、二次差分热力图支路、第二卷积子网，所述原始热力图支路、一次差分热力图支路和二次差分热力图支路均包括依次连接的第一卷积子网、卷积长短时记忆网络、逆卷积子网；所述原始热力图支路的输入为t天的原始图像序列，输出为根据输入预测的一天K张热力图序列；所述一次差分热力图支路的输入为t-1天的图像一次差分序列，输出为预测的一天K张的一次差分热力图序列；所述二次差分热力图支路的输入为t-2天的图像二次差分序列，输出为预测的一天K张的二次差分热力图序列；所述第二卷积子网分别将一次差分热力图支路和二次差分热力图支路的输出恢复为热力图数据，将恢复的热力图数据与原始热力图支路输出的热力图序列堆叠为三通道图像序列，对堆叠的三通道图像序列进行卷积，得到预测的一天K张全球电离层电子总含量热力图；

采用训练样本集对所述全球电离层电子总含量预测模型进行训练：将训练样本的输入样本数据中的t天的原始图像序列作为全球电离层电子总含量预测模型原始热力图支路的输入，t-1天的图像一次差分序列作为一次差分热力图支路的输入，t-2天的图像二次差分序列作为二次差分热力图支路的输入，将得到的预测结果与训练样本中输出样本数据对比计算误差，将误差反向传播修正模型中的待求参数，经过迭代训练得到了最终的全球电离层电子总含量预报模型；

所述探测阶段的步骤为：

(4)采集待探测日前t天的GIM图时间序列，每天获取K张，对采集的每幅图像，根据每个像素点所在的地方时调整水平位置，使纵坐标相同的像素点所在的地方时沿横轴正向增大，构成待预测图像序列T＝{P_k,τ}，τ＝1,2,…,t；

根据T＝{P_k,τ}计算得到t-1天的一次差分序列△T＝{△P_k,τ1}和t-2天的二次差分序列△²T＝{△²P_k,τ2}，将T＝{P_k,τ}、△T＝{△P_k,τ1}、△²T＝{△²P_k,τ2}作为全球电离层电子总含量预报模型的输入，模型输出K张预测热力图；对预测热力图进行经度排序，作为待探测日K个时刻的电离层电子含量背景参考图，τ1＝2,3,…,t，τ2＝3,4,…,t；

(5)获取待探测时刻的全球电离层电子总含量实测值，计算电离层电子含量背景参考图与实测值的残差，根据2-σ准则设置异常上下界限；

(6)根据异常上下界限，判断是否发生异常。

2.根据权利要求1所述的全球电离层电子总含量异常探测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，还包括对图像序列S中的图像进行尺寸调整和像素值归一化，所述步骤(3)中还包括对模型输出的热力图进行尺寸调整和反归一化。

3.根据权利要求1所述的全球电离层电子总含量异常探测方法，其特征在于，所述步骤(1)和(4)中根据像素点所在地方时调整水平位置，包括：

计算全球电离层电子总含量热力图中经度方向每个像素点的地方时；保持像素点的纵坐标不变，对像素点按地方时由小到大排序，根据排序结果调整像素的水平位置，使纵坐标相同的像素点所在的地方时沿横轴正向增大。