Автоматизированная обработка данных F-рассеяния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизированная обработка данных F-рассеяния

Прогнозирование условий распространения радиоволн в режиме реального времени по данным наземных ионосферных станций сильно зависит от наличия неоднородностей электронной концентрации в ионосфере, сравнимых по своей величине с фоновыми значениями. При наличии таких неоднородностей на ионограммах наблюдается появление диффузных отражений выше критических частот F-слоя. Данное явление, называемое F-рассеянием по частоте, затрудняет корректное определение критических частот foF2 и fxF2 и высоты максимума h_mF2 слоя F2. Наличие таких отражений вблизи и выше критических частот в таблицах ионосферных параметров обозначается специальной буквой F. Существует и количественная мера степени рассеяния - т.н. «индексы рассеяния» [1]. Для ряда конкретных применений желательно в реальном времени, кроме основных параметров ионосферы, автоматически определять и степень (индексы) рассеяния сигналов.

Основой для построения алгоритма служат стандартные файлы SAO- и RSF-форматов, выдаваемые ионозондами DPS-4 [2] и доступные в соответствующей базе для многих станций [5]. Из SAO-формата использовались кривые основного следа и восстановленного профиля электронной концентрации (рис. 1). Выше максимума слоя F ионизация даётся с учётом заложенной модели ионосферы.

а

б

Рис. 1. Результат обработки ионограмм (SAO-формат) ионозонда DPS-4. Трек обыкновенной компоненты (красные точки) и рассчитанный по этому треку профиль ионосферы (черная линия)

ионограмма автоматизированный сетевой алгоритм

Из RSF-формата выбрана полная ионограмма с разбивкой по типам компонент отраженного сигнала (рис. 2).

При разработке алгоритма и программы расчета типов F-рассеяния учитывался ряд факторов, основными из которых являются выбор порога отображения и высотного интервала обработки данных. На каждой высоте, входящей в выбранный интервал, рассчитывалась частотная ширина ионограммы отдельно для О- и Х-компонент вблизи основного следа. За ширину F-рассеяния принималось максимальное значение. На основании полученного набора данных определялась величина и тип Fs. Для оценки интенсивности выбрана известная шкала (0, 1, 2, 3 балла) [1].

а

б

Рис. 2. Ионограммы, по данным RSF-формата ионозонда DPS-4: а, б соответствуют датам рис. 1а, б. Слева случай отсутствия F-рассеяния, справа ионограмма с F-рассеянием. Красным цветом показаны отражения волны обыкновенной поляризации («O» - волны), а синим отражения волны необыкновенной поляризации («X» - волны)

Выбор порога отображения ионограммы.

Ширина ионограммы по частоте при F-рассеянии зависит от порога отображения [4]. Обычно ионограммы DPS-4 выставляют в интернет с порогом отображения 6 дБ, но имеется также возможность изменять порог отображения на ионограммах DPS-4 с шагом 3 дБ. С ростом порога уменьшается ширина ионограммы по частоте. Результаты исследований, подтверждающие этот вывод показаны на рис. 3. Следовательно, вероятность обнаружения F-рассеяния также будет уменьшаться с ростом порога отображения. В нашем алгоритме использовался стандартный порог 6 дБ.

Рис. 3. Ширина ионограммы по частоте в зависимости от выбранного порога отображения. Чёрные - индивидуальные зависимости для 18-ти типичных ионограмм с F-рассеянием, красная с кружками - усреднённая кривая. (DPS-4, зима 2013 г.)

Выбор высотного интервала для F-рассеяния по частоте.

Другим ключевым параметром является интервал высот (начальная высота), используемый алгоритмом. Выбрав эту высоту слишком большой, можно занизить ширину следа, из-за малого числа рассеянных отражений на части высот, входящих в интервал. Выбрав начальную высоту интервала измерений слишком низко, направление следа ионограммы на этом участке будет далеким от вертикального, и оценка ширины F-рассеяния по частоте будет завышенной. При автоматизированной обработке эту операцию необходимо было формализовать.

Для определения интервала высоты при расчете F-рассеяния было предложено несколько критериев: 1) высота появления F-рассеяния принималась не ниже 280 км, 2) кажущаяся высота появления F-рассеяния принималась выше максимума слоя h_mF2, рассчитанного программой ARTIST-5.0, 3) начальная высота определялась из взаимного положения кривых, описывающих основной след (красная кривая на рис. 1) и восстановленный по ней профиль электронной концентрации ионосферы (черная кривая).

Результаты автоматической обработки данных.

Как было указано выше, алгоритм использует результаты обработки ионограмм ионозонда DPS-4 программой ARTIST-5.0. Основные характеристики ионограммы вертикального зондирования - след обыкновенной «О» и необыкновенной «X» волны, соответствующие критические частоты F2 слоя foF2 и fxF2 и высота максимума слоя h_mF2.

На рис. 1,2 приведены результаты обработки (рис. 1) и сами ионограммы с F-рассеянием баллом 0 (рис. 2а) и баллом 2 (рис. 2б). В наших примерах базовая высота составила H0 = 370 км (рис. 2а) и 415 км (рис. 2б). Рабочий интервал высот связан с базовой высотой соотношением h = [H₀+10; H₀+110]. На рис. 2 эти интервалы отмечены зелёными горизонтальными линиями. В первом случае h = [380; 480] км, во втором h = [425; 525] км.

а

б

в

Рис. 4. Суточный ход вероятности F-рассеяния для: а - 2012 г., б - 2013 г., в - 2014 г.

На рис. 4 представлены гистограммы суточного хода вероятности появления F-рассеяния, соответственно для 2012, 2013, 2014 гг., полученные с помощью автоматизированного алгоритма.

Результаты автоматизированной обработки F-рассеяния предложенным алгоритмом сравнивались с данными, полученными вручную для ионограмм за март, сентябрь, октябрь, ноябрь и декабрь 2013 г. Количество обработанных алгоритмом ионограмм чуть меньше 3000 в каждом из 5-ти месяцев. Там, где автоматизированный алгоритм не сумел обработать ионограмму, или, где не могли обработать операторы вручную, ставился индекс «-1». При отсутствии рассеяния - индекс «0», при слабом - «1», при умеренном - «2», при сильном - «3». Вероятности появления ионограмм, которые отбраковываются автоматом из-за отсутствия данных по максимуму слоя F2 или некорректно восстановленного профиля колеблются от 7% в полдень до 10-12% в вечерние и ночные часы. Однако, часто сама ионограмма прослеживается, и данные об F-рассеянии могут быть получены вручную.

Первые результаты показали, что применение алгоритма автоматического определения, позволяет получать характеристики F-рассеяния с неопределенностью 11-20%, в зависимости от сложности, наблюдаемого F-рассеяния. Сравнение процентов определения слабого (индекс «1») и умеренного (индекс «2») F-рассеяния, показало хорошее статистическое совпадение ручного и автоматического счёта. Отличия есть в числе забракованных ионограмм (неопределенность 6,7%), в доле ионограмм без F-рассеяния (неопределенность 6,1%) и в доле ионограмм с сильным (индекс «3») F-рассеянием (неопределенность 3,3%).

Рис. 5. Усреднённые за 5 месяцев 2013 г. вероятности индексов рассеяния при ручной (квадраты) и автоматической (кружки) обработке ионограмм DPS-4, Москва

Анализ причин различий числа случаев, для индексов «-1», «0» и «3» показал, что на правильность определения индексов F-рассеяния по ионограмме влияют разные факторы. Первый - неустранимый, когда автоматическое определение критической частоты по ионограмме невозможно, а при ручной обработке индекс F-рассеяния определяется. Это приводит к разнице в 3% в случае сильного рассеяния (индекс «3») и различию для числа случаев появления «-1». Второй фактор - это несрабатывание программы ARTIST-5.0 на вполне разборчивых ионограммах, иногда вообще без признаков рассеяния. При этом отбраковываются чистые ионограммы, (с индексом «0»). Это дает различие в 6% для индекса «0»). В [5] приведено распределение ошибок величины foF2 для среднеширотной станции. В тех случаях, когда foF2 определена неправильно, ошибки будут и в определении высотного интервала следа по частоте и индекса F-рассеяния.

Построенный нами алгоритм и реализующие его программы показали свою работоспособность и хорошее статистическое совпадение результатов с ручными расчётами. Процент ошибок данного алгоритма и точность определения индекса рассеяния сопоставимы с точностью работы основного алгоритма станций DPS-4 (программа ARTIST-5.0). Предложенный алгоритм позволяет получать более полную информацию о свойствах ионосферы (в частности F-рассеяния) из данных стандартных наблюдений и может быть полезен для улучшения краткосрочного прогнозирования распространения радиоволн и улучшения работы ряда радиосистем.

Литература

1. Гершман Б.Н., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д., Чернобровкина Н.А. Явление F-рассеяния в ионосфере. М.: Наука, 1984, 140 с.

2. Телегин В.А., Панченко В.А., Рождественская В.И. Предварительные результаты исследования явления F-рассеяния по данным ионозонда DPS-4 в Москве./ Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Т.11, №1, с. 97-106.

3. Телегин В.А., Панченко В.А., Рождественская В.И. Возможности ионозонда DPS-4 для исследования явления F-рассеяния / Труды 37 семинара по физике авроральных явлений, 2014 «Physics of Auroral Phenomena», Proc. XXXVII Annual Seminar, Apatity, 2014, ISBN 978-5-91137-286-6, p. 98-103, http://pgia.ru:81/seminar/archive

4. http://car.uml.edu/common/DIDBFastStationList

5. Reinisch B. et al., The digisonde portable sounder - DPS. Technical manual. University of Massachusetts Lowell. Center for Atmospheric Research, 2007, Version 4.3, 404 с., или: http://www.digisonde.com/dps-4dmanual.html

Размещено на Allbest.ru