CN115078848A - 基于闪电信号的电离层无源被动探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于闪电信号的电离层无源被动探测方法，具体涉及闪电信号探测技术领域，包括如下步骤，S1.根据IGRF模型确定卫星所在位置的磁倾角与磁场强度，S2.由磁离子理论中的A‑H(阿普顿‑哈特利)公式，即电磁波在等离子体中传播的色散关系式，计算路径L上的折射率分布，S3.IRI模型和IGRF模型共同给出了A‑H公式中的X,Y,Z的值，S4.电离层进行垂直方向上的网格化,S5.利用观测值对状态预测值进行更新，得到更新后的状态分析值,S6.高斯误差协方差模型假设背景场数据之间高斯相关，其协方差正比于观测值的平方,S7.对IRI模型给出的电子密度剖面进行了调整修正,利用闪电信号这一自然源发射的VLF电磁波，通过卫星接收闪电信号的时间来对电离层进行被动探测，可降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及闪电信号探测领域，具体为基于闪电信号的电离层无源被动探测方法。
背景技术
闪电是大气中一种超长距离的强放电现象，是对流性天气系统发展到一定阶段的产物，有效监测闪电信号，对于研究闪电对强对流天气的指示作用，以及闪电对大气环境和气候的影响等具有指导意义。
专利号为CN110837006B的申请文件公开了一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法，其特征在于，包括如下步骤，S1:对一个典型区域在特定时间段内星地同步观测的闪电进行对比，以说明卫星与地基闪电探测结果的相关性和差异性；S2:为解决卫星与地基探测闪电信号不同表现形式的问题，根据地闪回击数据的时空粒度特征，从卫星探测的逐帧像元数据中提取一种新的卫星探测闪电数据单元spot，使其在时空粒度上与地基stroke具有可比性；S3:为解决卫星与地基观测闪电种类不完全一致的问题，找到卫星与地基可以同时观测闪电的特定位置；S4:对特定区域的卫星与地基闪电探测结果进行比对，定义二者的匹配度。
但是现有技术中闪电信号电离层的探测需要借助卫星发射电磁波，地面接收站接收电磁波，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供基于闪电信号的电离层无源被动探测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于闪电信号的电离层无源被动探测方法，包括如下步骤：
S1.根据IGRF模型确定卫星所在位置的磁倾角与磁场强度，由此确定穿过卫星的磁力线路径，即卫星接收到的闪电VLF波在电离层中的传播路径L，假设传播路径中任一点的磁倾角为θ，磁场强度为B；
S2.由磁离子理论中的A-H(阿普顿-哈特利)公式，即电磁波在等离子体中传播的色散关系式，计算路径L上的折射率分布：
S3.IRI模型和IGRF模型共同给出了A-H公式中的X,Y,Z的值，求闪电VLF波在电离层中传播路径上任一点的折射率n，由折射率与波的传播速度的关系表达式：v＝nrC,其中v为电磁波的传播速度，nr为折射率n的实部，C为光速；则波在路径上某一位置处的传播时间为：
闪电VLF波在电离层中传播的总时间为:
其中h1为电离层底部的高度，h为卫星高度，闪电VLF波在电离层中的传播时间与闪电信号的频率有关，可得闪电信号在电离层中传播的时频曲线；
S4.对电离层进行垂直方向上的网格化，则在一个网格内两个不同频率闪电信号的传播时间差为：
其中dh为该网格垂直方向的长度，则两个不同频率闪电信号在电离层中传播至卫星处的总时间差为：
其中h1为电离层底部的高度，h为卫星高度；
S5.当k+1时刻有预测值时，利用观测值对状态预测值进行更新，得到更新后的状态分析值：
XK+1＝(Hk+1Pk+1)T[Hk+1(Hk+1Pk+1)T+Rk+1]-1，式中，
是k+1时刻状态预测值：
其中Nen为电离层剖面第n个网格上IRI模型给出的电子密度值，式中，Hk+1是k+1时刻的观测算子，表示观测值和状态值之间的函数关系：Hk+1＝(dh1,dh2,...,dhn)，其中dhn表示第n个网格的长度，则
表示两个不同频率闪电信号在电离层中总的传播时间差；
是k+1时刻卫星接收频率为f1和f2的闪电信号时间差的观测值，上标0表示观测，
式中，Kk+1是K+1时刻的增益矩阵，Pk+1是k+1时刻状态预测值的误差协方差矩阵：
S6.高斯误差协方差模型假设背景场数据之间高斯相关，其协方差正比于观测值的平方，计算方法如下式所示：Bij＝σiσjρij，
其中Bij为在电离层剖面两个不同网格中频率f1和f2频率的闪电信号传播时间差的误差协方差，ρij为相关系数，ηb为比例系数，l(H)为高度方向的相关长度，Hij是网格点间在高度方向上的距离；
S7.利用k+1时刻观测值调制背景场，得到k+1时刻的两个不同频率闪电信号在网格中传播时间差的分析值，进而得到各网格点上的电子密度分析值，即对IRI模型给出的电子密度剖面进行了调整修正。
优选的，S4中采用卡尔曼滤波算法综合利用观测信息和预测模型与观测数据的误差统计特征对状态量进行估计，使状态估计值的误差最小，进而调整IRI模型给出的电离层电子密度剖面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用闪电信号这一自然源发射的VLF电磁波，通过卫星接收闪电信号的时间来对电离层进行被动探测，可降低成本。
附图说明
图1为对比例的探测原理图；
图2为本发明的原理图；
图3为本发明闪电信号在电离层中传播的时频曲线图；
图4为本发明实施例中电子密度剖面图；
图5为本发明卫星接收闪电信号的时频图；
图6为本发明实施例中修正后的电子密度剖面图；
图7为本发明更新前的状态预测值与更新后的分析值的误差分析图。
具体实施方式
对比例
如图1所示，基于Chapman函数的电离层TEC同化模型计算流程，主要包括4个步骤，
S1.利用背景场模型和计算时刻前两天的历史TEC数据，获取电离层特性参数η和α的值，输入参数包括年份、年积日、世界时、地理经纬度、太阳辐射强度I、电离层温度T；
S2.将当前时刻少数已知点上的电离层TEC值同化到背景场模型中，用非线性最小二乘的方法估计当前时刻的参数I和T，之后，对模型TEC计算值的残差进行拟合，拟合函数选择式如下：
式中，E(βc,λc)表示(βc,λc)处的TEC残差值，
(m),m(cosθc)为完全正则化的非整阶缔合Legendre函数，Ckm和Skm为完全正则化的球冠谐函数系数，Kmax和M分别为球冠谐模型的最大阶数和最大次数
S3.利用当前η、α、I、T计算区域内所有格网点上的电离层TEC值，并对计算值利用S2中函数式进行残差改正得到新的TEC值，最后利用新的TEC值对η、α、I、T进行纠正；
S4.将纠正后的特性参数值输入背景场模型对电离层TEC值进行预测。
实施例
如图2-7所示，根据IGRF模型确定卫星所在位置(165km处)的磁倾角与磁场强度，由此确定了穿过卫星的磁力线路径，即卫星接收到的闪电VLF波在电离层中的传播路径L，并得到路径上任意位置处的磁倾角θ和磁场强度B；
根据IRI模型确定了闪电信号在电离层中传播路径L上K+1时刻任意位置的电子密度，电子密度剖面图如图4所示；
由磁离子理论中的A-H(阿普顿-哈特利)公式，即电磁波在等离子体中传播的色散关系式，计算路径L上的折射率分布；
IRI模型和IGRF模型共同给出了A-H公式中的X,Y,Z的值，由此可求得闪电VLF波在电离层中传播路径上任一点的折射率n，由折射率与波的传播速度的关系表达式，v＝nrC，其中v为电磁波的传播速度，nr为折射率n的实部，C为光速，则波在路径上某一位置处的传播时间为：
对电离层进行垂直方向上的网格化，将电离层底部(65km)至卫星(165km)的纵向空间上等分为1000个网格，每个网格高度100m，并假设每一个网格内部电子密度，磁倾角，磁场强度均不变。则在一个网格内两个不同频率闪电信号(2kHz和4kHz)的传播时间差为：
其中dh为该网格垂直方向的长度；则两个不同频率闪电信号在电离层中传播至卫星处的总时间差为：
其中h1为电离层底部的高度，h为卫星高度；公式
给出的是两个不同频率的闪电VLF波在电离层中传播时间差的预测模型，采用卡尔曼滤波算法综合利用观测信息和预测模型与观测数据的误差统计特征对状态量进行估计，使状态估计值的误差最小，进而调整IRI模型给出的电离层电子密度剖面。
当k+1时刻有预测值时，利用观测值对状态预测值进行更新，得到更新后的状态分析值：
XK+1＝(Hk+1Pk+1)T[Hk+1(Hk+1Pk+1)T+Rk+1]-1，式中，
是k+1时刻状态预测值：
其中Nen为电离层剖面第n个网格上IRI模型给出的电子密度值，式中，Hk+1是k+1时刻的观测算子，表示观测值和状态值之间的函数关系：Hk+，＝(dh1,dh2,...,dhn)＝(100，100...100)，其中dhn表示第n个网格的长度，则
表示两个不同频率闪电信号在电离层中总的传播时间差，卫星接收闪电信号的时频图图5所示；
是k+1时刻卫星接收频率为f1和f2的闪电信号时间差的观测值，上标0表示观测，该观测值由卫星实际接收闪电信号的时频图得到：
式中，Kk+1是K+1时刻的增益矩阵，Pk+1是k+1时刻状态预测值的误差协方差矩阵：
高斯误差协方差模型假设背景场数据之间高斯相关，其协方差正比于观测值的平方，计算方法如下式所示：Bij＝σiσjρij，
其中Bij为在电离层剖面两个不同网格中频率f1和f2频率的闪电信号传播时间差的误差协方差，ρij为相关系数，ηb为比例系数，l(H)为高度方向的相关长度，Hij是网格点间在高度方向上的距离；
利用k+1时刻观测值调制背景场，得到k+1时刻的两个不同频率闪电信号在网格中传播时间差的分析值，进而得到各网格点上的电子密度分析值，即对IRI模型给出的电子密度剖面进行了调整修正。修正后的电子密度剖面分析值如图6所示；更新前的状态预测值与更新后的分析值的误差分析如图7所示。
Claims (2)
1.基于闪电信号的电离层无源被动探测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.根据IGRF模型确定卫星所在位置的磁倾角与磁场强度，由此确定穿过卫星的磁力线路径，即卫星接收到的闪电VLF波在电离层中的传播路径L，假设传播路径中任一点的磁倾角为θ，磁场强度为B；
S2.由磁离子理论中的A-H公式，即电磁波在等离子体中传播的色散关系式，计算路径L上的折射率分布：
S3.IRI模型和IGRF模型共同给出了A-H公式中的X,Y,Z的值，求闪电VLF波在电离层中传播路径上任一点的折射率n，由折射率与波的传播速度的关系表达式：v＝nrC,其中v为电磁波的传播速度，nr为折射率n的实部，C为光速；则波在路径上某一位置处的传播时间为：
闪电VLF波在电离层中传播的总时间为:
其中h1为电离层底部的高度，h为卫星高度，闪电VLF波在电离层中的传播时间与闪电信号的频率有关，可得闪电信号在电离层中传播的时频曲线；
S4.对电离层进行垂直方向上的网格化，则在一个网格内两个不同频率闪电信号的传播时间差为：
其中dh为该网格垂直方向的长度，则两个不同频率闪电信号在电离层中传播至卫星处的总时间差为：
其中h1为电离层底部的高度，h为卫星高度；
S5.当k+1时刻有预测值时，利用观测值对状态预测值进行更新，得到更新后的状态分析值：
XK+1＝(Hk+1Pk+1)T[Hk+1(Hk+1Pk+1)T+Rk+1]-1，式中，
是k+1时刻状态预测值：
其中Nen为电离层剖面第n个网格上IRI模型给出的电子密度值，式中，Hk+1是k+1时刻的观测算子，表示观测值和状态值之间的函数关系：Hk+1＝(dh1,dh2,...,dhn)，其中dhn表示第n个网格的长度，则
表示两个不同频率闪电信号在电离层中总的传播时间差；
是k+1时刻卫星接收频率为f1和f2的闪电信号时间差的观测值，上标0表示观测，
式中，Kk+1是K+1时刻的增益矩阵，Pk+1是k+1时刻状态预测值的误差协方差矩阵：
S6.高斯误差协方差模型假设背景场数据之间高斯相关，其协方差正比于观测值的平方，计算方法如下式所示：Bij＝σiσjρij，
其中Bij为在电离层剖面两个不同网格中频率f1和f2频率的闪电信号传播时间差的误差协方差，ρij为相关系数，ηb为比例系数，l(H)为高度方向的相关长度，Hij是网格点间在高度方向上的距离；
S7.利用k+1时刻观测值调制背景场，得到k+1时刻的两个不同频率闪电信号在网格中传播时间差的分析值，进而得到各网格点上的电子密度分析值，即对IRI模型给出的电子密度剖面进行了调整修正。
2.根据权利要求1所述的基于闪电信号的电离层无源被动探测方法，其特征在于：S4中采用卡尔曼滤波算法综合利用观测信息和预测模型与观测数据的误差统计特征对状态量进行估计，使状态估计值的误差最小，进而调整IRI模型给出的电离层电子密度剖面。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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