[发明专利]一种电离层频高图扩展F现象雷达图形的筛选方法及系统

说明书

本发明涉及一种电离层频高图扩展F现象雷达图形的筛选方法及系统，所述方法包括：将测高仪输出的频高图图像经预处理后输入预先建立和训练好的扩展F现象雷达图形识别模型，得到是否有扩展F现象的识别结果，并得到对应的扩展F类型；所述扩展F类型包括：无扩展F、频率型FSF、区域型RSF、混合型MSF和强区域型SSF；所述扩展F现象雷达图形识别模型为resnet34Net网络、改进的resnet34Net网络或residual_attention_Net网络，采用监督学习的方法训练得到。本发明能够自行对海南测高仪频高图中的扩展F现象的出现以及类型进行机器判断，给出识别结果，判断结果准确性极高。

技术领域

本发明属于空间目标探测领域，涉及一种雷达图形自动判别方法，具体涉及一种电离层频高图扩展F现象雷达图形的筛选方法及系统。

背景技术

电离层测高仪是一种基于雷达回波探测电离层太空环境的遥感设备，生成的图像数据称为频率-高度图(频高图)，以一条清晰的描迹线反映了电子密度随高度的变化。当电离层F层(约130千米-1000千米，绝大多数航天器飞行区域)一定高度范围内，不是稳定的层状，而是存在一些等离子体精细结构(密度不均匀体，或称不规则体)，它们对入射的电波造成了漫反射，呈现的不是清晰的线状描迹，而是弥散的一片。

扩展F是电离层等离子体不规则体这一自然现象影响无线电波传播从而在频高图中产生的特定的弥散图形，其不同的形态对应了不同的物理规律。目前国际上接受度比较高的扩展F类型分类是国际无线电科学联盟1978年修订的《电离图解释与度量手册》，根据频高图中的图形特征分成频率型(Frequency Spread F，简称FSF)、区域型(Range SpreadF，简称RSF)、混合型(Mixed Spread F，简称MSF)、歧型(Branch Spread F，简称BSF)，并且提出鉴于世界各地各台站扩展F现象特征的巨大差异，建议各站点可以用自己针对性的分类。这4种类型，分别是：(1)频率型为低频率段F层描迹线清晰、高频率段有扩展，对应F层峰值高度附近的扰动结构；(2)区域型为高频率段F层描迹线清晰、低频率段有扩展，对应F层底部附近的等离子体密度不均匀结构；(3)混合型兼有频率型和区域型的特征，机制也比较复杂；(4)歧型为F层峰值频率附近有扩展，且有不同于F层描迹线的扩展F分叉，对应水平分布且密度不同的等离子体结构，在高纬度区可能与离子沉降相关联。

在实践当中，中国科学院国家空间科学中心(简称中科院空间中心)电离层研究课题组的科研人员认为，位于中国低纬度地区的海南富克站(19.5°N，109.1°E)的测高仪探测到的扩展F，几乎不出现歧型，而有一种图形存在扩展从低频率延展向高频率、随频率增大时的高度变化较小(小于100千米)、超过电离层峰值频率、持续时间超过半个小时，以往多被划分为区域型或混合型扩展F。此类图形多发于春秋季的地方时20:00-22:00，在每年的出现概率通常超过20％。科研人员经过研究认为它对应于自然产生的名为电离层等离子体泡的大尺度结构，建议在低纬度单独作为一种分类类型，命名为强区域型扩展F(StrongRange Spread F，简称SSF)，发表学术论文并得到大量国际研究者认可。

由于频高图的科学性和复杂性，以往国际上只能由人眼进行经验判断。这种方法在科学研究中的一大缺陷在于，混入了人的主观判断，不同科研工作者对扩展F类型判断的标准是不同的，即使是同一科研工作者，在长年的工作过程中，对随着年份、季节、地方时等变化的扩展F图形特征，也会出现判断标准的变化。

随着中国航天技术的发展，特别是中科院空间中心牵头的子午工程二期的进一步建设，在2023年将增加十余台遍布中国且24小时工作的数字测高仪，分辨率大约5-15分钟，甚至有工程人员开发1分钟分辨率的高精度探测网。在这种情况下，以往依赖人工判读频高图的方式将不利于对太空环境的实时监测，无法做到人工24小时对所有台站采用统一判断标准进行识别，故而从应用角度而言，开发电离层频高图扩展F现象人工智能识别方法十分有必要。