垂直探测电离图净化算法研究及实现

陈跃　杨东升　程延锋

摘要：该文基于我国东南沿海某电离层观测站的垂测电离图，将电离图净化的操作分为背景噪声删除、散点信号删除和多模多径信号删除三个步骤，通过将模糊几何法与统计滤波相结合，有效删除垂测电离图的噪声干扰信号，同时，利用多模多径信号能量、距离及高度特性对多模多径信号进行了有效抑制。为后期电离层描迹提取和特征参数的度量奠定良好的基础，该算法具有非常强的通用性和易于实现性，对于实际项目有较高的参考价值。

关键词：垂直探测；电离图；自动判读；多模多径

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）08-0198-03

利用数字测高仪对电离层进行垂直探测是目前地面观测研究电离层的最为重要的探测方法，由数字测高仪接收在不同频率上由电离层反射的回波，获得的数据称为频高图，又称垂测电离图。目前国内外共有数百台数字测高仪在连续的观测记录频高图，每年至少观测记录200万张以上的频高图，其中只有25%左右被可靠的度量和反演（Tsai andBerkey，2000），而由有经验的工作者手工度量和反演这些频高图是个耗时费力的工作。故借助计算机等技术，对频高图进行自动度量和反演分析是国际上一直在努力解决的重要问题。

由于环境噪声与干扰、仪器的热噪声、电离层的时变色散等特性以及多模多径信号的存在，使得频高图存在大量的干扰、噪声以及无用信号，是电离图自动判读的最大难点所在，严重影响软件自动度量的准确度，因此电离图净化在垂测电离图的自动度量中尤为重要。

电离图净化主要是实现对垂测电离图中干扰和噪声数据的删除以及对影响自动识别的多模多径信号的抑制。电离图净化是各层描迹提取的基础，对于一个实测电离图，首先采用电离图净化算法，获得干净的电离图。这步操作对自动判读算法实现的准确性起到了至关重要的作用，而这步操作的难点则在于抑制程度难以把握。为了让干扰噪声得到有效抑制则有可能会损失有用信号，而为了保证完整的信号信息则有可能保留一部分噪声信号，为后续描迹外推提取造成干扰，算法实现中对这一矛盾给予了综合考虑。

1电离图净化方法

垂测电离图中存在的信号类型主要干扰有背景噪声、干扰信号、多模多径信号以及垂测所需的信号。电离层的时变色散等特性导致电离图的千变万化，描迹的多样性是电离图自动判读的最大难点所在。因此算法首先要解决的问题就是如何保留所需信号而删除干扰、噪声及无用信号，为后续描迹提取奠定良好基础。本算法根据干扰类型，使用三种处理方式。

1.1背景噪声删除

去噪算法多种多样，在算法研究试验中曾使用了自适应中值滤波法、统计滤波法、均值滤波法及根据各信道幅度确定门限进行底噪删除等等，具体方法的选取应视数据的实际情况而定。根据大量实测数据的噪声特点（信号能量相对较强，底噪分布均匀，同频干扰不明显），本文最终选取模糊几何法结合统计滤波的方法进行噪声的删除。

模糊几何法去噪，利用了归属程度的概念，通过计算各数据点的归属程度并确定其门限进行噪声删除。具体方法如下：

a）求各像素点的归属程度μ

其中p表示该点的幅度值，a，b和c是幅度参数，a和c取决于系统，和噪声及信号的强度有关，b=（a+c）/2。

b）确定归属程度门限值α

信号的归属程度越大则其属于回波信号的可能性越大，因此可以确定一个归属程度门限值α来删除背景噪声。具体门限大小要视具体数据而定。

1.2散点噪声删除

经过上述背景噪声的删除处理后，电离图上大部分噪声就被删除了，但仍有一些能量较强的离散噪声被保留下来，所以进一步根据电离图各层描迹的发育特点利用统计滤波的方法进行噪声删除。具体方法如下：

对自定义的每个小窗口内，统计非零数据点的个数和窗口内所包含的全部像素点数的比值，若超过某一门限值Th（该值要根据大量数据统计确定），则认为此区域内是信号点；否则保留幅度值超过一定值Vx的数据点。值Vx是根据信号与噪声之间的能量上的区别，正常情况下，噪声的幅度不会达到这么高，甚至多跳的一些信号也不能有这么高的能量，这样就可以保证F2层临频附近较离散的信号点保留下来，保证加foF2参数的提取精度。但有时若信号能量也较弱时仍会导致信号的丢失，这在后续的算法中会加以修正。

1.3多模多径信号删除

由于后续描迹提取采用的主要方法是约束外推法，各描迹的识别是基于逐频率搜索外推方式进行的，因此，真正描迹周围越干净（没有干扰信号点），外推的准确率越高，从而保证正确识别各描迹。

常规方法只能处理常规电离图，但由于电离层的多模多径性，电离图也相应存在多跳等不需要的多模多径信号，该信号常常会和常规信号距离接近（如图4所示）。从图4可以看出，Es的二跳信号与Fl层的低频信号连在一起，这样在通过约束外推搜索F层描迹时将会错误地把Es二跳信号作为F1进行提取，影响外推正确率，从而导致最终的描迹信息及特征参数判读错误。因此，必须对这些干扰信号进行删除。因此，需要对多模多径信号进行删除处理。

由于信号能量随着传播路径的增加而不断损耗，而且垂直探測多跳信号的传播时延（虚高）与单跳信号时延近似成倍数关系。根据这些特性，算法中分两步对多模多径信号进行删除：

a）利用近似倍数关系高度上信号能量关系对多跳信号进行了删除；

设某信号高度为h，幅度值为M，那么如果该信号为二跳信号，则一跳信号高度为h/2，如果是三跳信号，则一跳信号对应高度为3/2h，设一跳信号幅度为m，此时，如果M

6）利用能量随高度衰减特性删除统一信道中高度较高且能量较低的多跳信号；

在a）操作之后，利用b）准则，将高处信号与低处信号比较，删除高度较高且能量相对较小的信号。

这种方法可以进一步删除a）操作中遗留的多跳信号，对于混合模式信号删除也具有一定的帮助，从而避免了描迹外推时临近模式信号的干扰。

2电离图净化实例

以我国东南沿海某电离层观测站2007年8月24日19点17分的垂测电离图为例，原始电离图如图1所示。从图中可以看出，背景噪声强度基本都在8以下，两条描迹信号强度在12以上，存在F层的2跳描迹信号，同时有大量的较强散点信号存在。

首先采用模糊几何法去噪，利用公式（J）计算每个数据点的归属程度μ，a取值为最强信号强度数值的0.27倍，c取值为最强信号强度数值的0.6倍，b=（a+c）/2，樣本数据的归属程度门限值α确定为0.75，这里的0.27、0.6以及0.75为针对样本数据经过统计后确定的最优数值，其他垂测电离图数据由于接收设备参数以及地理位置的差异可能不是最优。

经过模糊几何法去噪后电离图如图2所示。由图上可见，有用的描迹信号都被保留下来，背景噪声基本被删除，但仍有许多能量较强的散点信号存在。

下面进一步利用统计滤波的方法进行噪声删除。滤波窗口定义为5*5，数据点数门限值Th取值为I5，Vx取值为13。

经过散点噪声删除后电离图如图3所示。由图上可见，保留下来的基本都是有效信号，虽然仍有极少较强干扰点存在，但已经对后期描迹提取等操作影响不大。

最后使用多模多径信号删除方法将F层的2跳描迹删除，最终净化后的电离图如图4所示。

前面给出的垂测电离图仅存在F层的多模多径信息，下面给出在E、Es、F1和F2都存在2跳的复杂情况下算法对多模多径的抑制效果。

由图5可见，Es的二跳信号与F1层的低频信号连在一起，这样在通过约束外推搜索F层描迹时将会错误的把Es二跳信号作为F1进行提取，影响外推正确率，从而导致最终的描迹信息及特征参数判读错误，必须对这些干扰信号进行删除。因此，需要对多模多径信号进行删除处理。

图6为对多模多径信号进行抑制处理后的电离图，从图中可以看出各层的2跳信息都被删除，非常有利于后期描迹提取及特征参数判读。

3结束语

电离层的时变色散等特性导致电离图的千变万化，描迹的多样性是电离图自动判读的最大难点所在。本文将电离图净化分为背景噪声删除、散点噪声删除和多模多径信号删除三个步骤，将模糊几何法与统计滤波相结合，并利用信号能量随距离变化特性及一跳信号与多模多径信号之间的高度特性对多模多径信号进行了有效抑制。

通过文中实例以及在项目中的实际应用，验证了该算法可以有效对垂测电离图的干扰及噪声信号进行抑制，为后期电离层描迹提取和特征参数的度量奠定良好的基础。同时，该算法具有非常强的通用性和易于实现性，对于实际项目有较高的参考价值。