《基於電離層時空域指紋特徵的震前異常診斷算法研究》是依託東北大學，由賀黎明擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於電離層時空域指紋特徵的震前異常診斷算法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：賀黎明
- 依託單位：東北大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
地震監測預警是國家公共安全面對的嚴峻挑戰，而震前電離層異常監測是實現短臨預警的潛在途徑。由於電離層動力學系統高度複雜，受日地空間多種因素影響，複雜環境下特別是地磁活動干擾下震前電離層異常的辨識與診斷難題亟待解決。項目擬以高精度、高時空解析度的TEC數據為主要數據源，基於電離層異常的時變與非線性特徵，採用小波與神經網路相結合的方法，以提取異常的瞬時指紋特徵為突破口，對異常提取、辨識與診斷方法進行深入研究。重點解決基於小波包變換的異常提取方法、基於連續小波變換的異常指紋定義與提取方法、以及基於神經網路敏感性分析的異常診斷算法等關鍵問題；進而綜合研究地震和地磁活動兩類最難辨識的驅動源所致電離層異常的指紋特徵差異，建立典型地區TEC擾動指紋庫，軟體實現診斷算法,進行診斷實驗與反饋分析；由此形成多因素影響下電離層異常驅動源辨識、地震電離層異常診斷的方法依據及技術基礎，為典型地區地震監測預警提供參考。
結題摘要
地震孕育期、臨震前電離層擾動探測分析是當前地球科學研究熱點之一。電離層異常變化監測已成為實現震前短臨預警的潛在重要途徑。然而，局部電離層中出現的異常電磁信號除了可能受孕震活動影響之外，還可能受到其他因素影響。因此，複雜環境下震前電離層異常的辨識與診斷是本項目的主要研究目標。本項目以GNSS為觀測手段，以GNSS TEC為主要數據源，圍繞地震電離層異常探測、分析和診斷中的若干關鍵問題開展研究，主要成果包括：（1）針對地震監測中GNSS站點稀疏區域電離層參量反演的實際需求，發展了一種基於單站GNSS數據的高精度電離層垂直TEC(VTEC)反演算法。在對整周模糊度、偽距噪聲、衛星和接收機的硬體延遲偏差以及多路徑效應的影響進行了消除或減弱基礎上，建立了高精度單站VTEC反演方程，並用最小二乘法進行解算；（2）非線性的太陽活動性變化的存在使得電離層異常變化分析非常困難，在高太陽活動期，甚至無法獲得有效的電離層異常變化信息。為克服太陽活動性對電離層參量變化分析的不利影響，提出了一種基於多解析度小波變換的電離層參量非線性太陽活動性背景去除方法。實驗結果表明算法提取的電離層太陽活動性背景與實測的太陽活動性指數相關性高達0.9以上；（3）開展了震前電離層異常信號指紋特徵研究。針對電離層異常擾動的統計特徵，總結了電離層異常擾動分析中小波基的選取準則，構造了一種適合於電離層參量異常擾動能量譜提取的解析小波基。在此基礎上，定義解析小波能量密度譜和地震電離層擾動指數等指紋特徵；（4）開展了中小磁暴驅動的電離層擾動指紋庫研究，分析總結磁暴引起的電離層擾動的強度、頻率、持續時間、平均速度及擾動傳播方位等特徵，初步建立了中小磁暴驅動的電離層TEC擾動指紋庫；（5）電離層變化除受太陽活動性控制外，還受地磁活動顯著影響。地磁活動不僅可以引起全球電離層變化，而且同樣可以產生局部電離層異常。因此，在電離層異常分析中需要對是否為地磁活動所驅動的電離層擾動進行診斷分析。鑒於此，提出了一種基於交叉小波變換的電離層異常-地磁活動診斷算法。實驗結果表明，所提出的算法可實現較好的診斷分析效果，尤其是在比較困難的中小磁暴診斷分析中亦能發揮作用；（6）對前述所有算法，利用MATLAB和C語言進行了程式實現，進而詳細分析了日本3•11地震、汶川地震和蘆山地震等典型地震前電離層異常變化特徵，並對選定的典型區域的電離層變化進行了跟蹤分析。
