一种极区电离层大尺度等离子体结构图像获取方法

技术领域

本发明属于电离层研究及应用领域，特别涉及一种电离层等离子体结构图像获取方法。

背景技术

极区电离层等离子体沉降、输运等过程中伴随着众多的大尺度不均匀体结构，其中包括日侧高纬电离层的舌状电离结构(TOI)、极盖等离子体云块等。在对流输运作用下，日侧光电离高密度等离子体从高纬通过极隙、穿越极盖到达夜侧。此过程经常伴随产生TOI、极盖等离子体云块等极区大尺度等离子体结构，影响短波、超视距通信和低轨卫星的正常运行及其与地面的通信，其形成过程是当前极区电离层领域研究的热点。利用多手段观测数据、多视角对该现象进行研究以揭示其形成、演化过程是当前极区电离层领域研究的热点主题。

目前，用来研究极区大尺度等离子体结构的形成和演化过程的观测手段有多种，包括相干散射高频雷达、非相干散射雷达、测高仪、卫星、双频GPS接收机以及光学观测仪器等。相干散射高频雷达、非相干散射雷达、测高仪等主动探测模式需要大功率的发射设备，探测系统的设备复杂，成本较高。而双频GPS接受机成本低，且全球站点多，在高纬极区也有大量的观测设备，单站双频GPS TEC数据成为目前研究极区电离层等离子体结构形成、演化过程的重要手段，但因单站数据空间覆盖范围有限，有限覆盖的观测数据仅能给出大尺度等离子体结构形成、演化的局部特征，无法呈现大尺度等离子体结构的整体特征和连续运动过程。

因此，需要一种极区电离层大尺度等离子体结构图像获取方法来解决呈现大尺度等离子体结构全局特征及演化过程的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种极区电离层大尺度等离子体结构图像获取方法，能够实现极区电离层大尺度等离子体结构全局特征及演化过程的可视化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：获取极区电离层TEC散点观测数据；将TEC位置信息由地理坐标转换为地磁坐标后映射为极坐标，再转换为笛卡尔直角坐标；对笛卡尔直角坐标中的数据采用中值滤波方法插到得到网格TEC；最终得到地磁坐标系下网格化二维电离层TEC图像。

所述的极区电离层TEC散点观测数据是指设定时长内双频GPS接收机观测的高纬极区电离层观测信息

所述的地磁坐标为地磁纬度、磁地方时

所述的极坐标采用极径r表示地磁纬度，极点对应地磁极，极角θ表示磁地方时t

所述的笛卡尔直角坐标(x,y)中x＝r×cosθ，y＝r×sinθ。

所述的笛卡尔直角坐标(x,y)中，按照1°×1°将坐标划分网格，采用中值滤波方法，滤波窗口长、宽各为2°，每个网格TEC的值为网格窗口内TEC观测值的中值，若该网格窗口内没有观测点，则标记为空。

所述的地磁坐标系下网格化二维电离层TEC图像采用可视化编程语言，以极坐标形式得到。

本发明的有益效果是：由于采用双频GPS接收机观测的TEC作为数据源，观测成本低、数据丰富，得到的地磁坐标系下高纬极区电离层二维TEC图像能够直观呈现大尺度等离子体结构形态及演化的全域特征，弥补了单站TEC覆盖空间范围有限、仅能反映等离子体云块局部特征的局限性。利用该方法处理得到地磁坐标系下的电离层TEC图像，一方面有助于深入理解极区电离层自身物理过程以及太阳风-磁层-电离层耦合过程，另一方面可为短波通信和超视距通信时机提供参考、为灾害性天气预测奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例所公开极区电离层大尺度等离子体结构图像获取方法的流程框图；

图2是本发明实施例TEC观测数据点在地磁坐标系的分布；

图3是本发明实施例极区电离层大尺度等离子体结构图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供了一种极区电离层大尺度等离子体结构图像获取方法，至少包括：

(1)获取高纬极区电离层TEC散点观测数据：

获取一段时间内(一般取5分钟)双频GPS接收机观测的高纬极区电离层观测信息

(2)坐标系转换：

地理坐标系转换为地磁坐标系，对每个TEC观测值对应的地理经纬度进行坐标转换，得到高度修正地磁坐标系不同地磁纬度、磁地方时

λ

t

其中，x

(3)坐标映射：

使用极坐标呈现高纬极区电离层TEC观测图像，将地磁纬度、磁地方时映射至极坐标，极径r表示地磁纬度，极点对应地磁极(λ

极径r表示地磁纬度，极点对应地磁极(λ

进而将极坐标(r,θ)转换为笛卡尔直角坐标(x,y)，为下一步TEC数据二维插值做准备，即

(4)数据插值：

在直角坐标系(x,y)中，按照1°×1°将坐标划分网格，采用中值滤波方法，滤波窗口长、宽各为2°，每个网格TEC的值为网格窗口内TEC观测值的中值，若该网格窗口内没有观测点，则标记为空。利用该插值方法可得到空间上较为平滑的TEC。

(5)数据可视化：

采用可视化编程语言，以极坐标形式得到地磁坐标系下网格化二维电离层TEC图像。

本发明的实施例如图1所示，本实施例公开了一种极区电离层大尺度等离子体结构图像获取方法，包括以下步骤：

(1)获取高纬极区电离层TEC散点观测数据

选取Madrigal数据库公开发布的2012年4月23日世界时22：52-22：57时间段高纬极区双频GPS接收机观测的不同经纬度电离层TEC信息，记为

(2)坐标系转换

地理坐标系转换为地磁坐标系，对步骤(1)每个TEC观测值

λ

t

其中，x

通过上式计算后，即可得到地磁坐标系不同地磁纬度、磁地方时

(3)坐标映射

使用极坐标呈现高纬极区电离层TEC观测图像，将步骤(2)得到的地磁纬度、磁地方时(λ

极径r表示地磁纬度，极点对应地磁极(λ

进而将极坐标(r,θ)转换为笛卡尔直角坐标(x,y)，为下一步TEC数据二维插值做准备，即

(4)数据插值

在直角坐标系(x,y)中，按照dx＝1°,dy＝1°,将坐标划分网格，采用中值滤波方法，滤波窗口长、宽各为2°，每个网格TEC的值为网格窗口内TEC观测值的中值，若该网格窗口内没有观测点，则标记为空。利用该插值方法可得到空间上较为平滑的TEC。

(5)数据可视化

采用可视化编程语言，以极坐标形式得到地磁坐标系下网格化二维电离层TEC图像，如图3所示。

TEC位置信息经坐标转换和坐标映射后，在地磁坐标下分布参见图2，图3给出了采用本实施例的一个大尺度等离子体结构可视化结果，通过对比图2和图3，图2显示的TEC观测值因数据覆盖不足无法呈现等离子体结构轮廓，经过本发明公开的图像获取方法处理后，图3可直观给出大尺度等离子体结构分布特征，可见本实施例提出的方法是有效的。