本發(fā)明屬于電離層反演，尤其涉及一種電離層斜向返回散射掃頻電離圖的參數(shù)判讀方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、電離層斜向返回散射探測原理為無線電波通過發(fā)射機(jī)發(fā)射后斜向入射到電離層后反射到達(dá)地球遠(yuǎn)端地面或水面，由于入射平面的不均勻性部分射線沿原路徑返回被接收機(jī)接收。探測設(shè)備通過掃頻探測，獲取不同頻率下斜向返回散射回波群時延信息，得到頻率~群時延二維電離圖。由于球形聚焦與時間聚焦，斜向返回散射回波具有很陡的前沿，在電離圖上呈現(xiàn)明顯的信號增強(qiáng)，且其群路徑為該探測頻率中所有斜向返回散射回波中最小。

2、由于經(jīng)歷了至少兩次電離層反射與一次地面或水面散射，因此斜向返回散射信號能量微弱。除此以外，隨著探測頻率的增長，斜向返回散射信號前沿群路徑單調(diào)遞增，會帶來更大的路徑損耗。因此，斜向返回散射電離圖中斜向返回散射信號信噪比通常較低，并且由于空間中大量同頻段的干擾存在，導(dǎo)致不少頻率的回波被淹沒在干擾中，在斜向返回散射電離圖中呈現(xiàn)前沿斷裂。由于斜向返回散射探測功率較大，發(fā)射天線的旁瓣仍能輻射較大功率信號，部分信號垂直入射電離層并垂直反射被接收機(jī)接收，由于垂直反射的垂測信號沒有散射過程，因此被接收機(jī)接收的垂測信號能量甚至高于斜向返回散射信號。上述現(xiàn)象的存在導(dǎo)致了要自動判讀完整的斜向返回散射信號前沿非常困難。

3、目前，對于斜向返回散射電離圖的參數(shù)自動判讀方法，主要依賴于遍歷頻率軸并通過閾值法提取每一個頻率點(diǎn)的最小群路徑作為前沿，但這種方法對斜向返回散射電離圖的要求很高，在小功率探測的條件下難以使用，僅能得到部分?jǐn)嗔训男毕蚍祷厣⑸淝把?；同時判讀結(jié)果受垂測信號影響較大。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種電離層斜向返回散射掃頻電離圖的參數(shù)判讀方法及系統(tǒng)，利用電離層斜向返回散射電離圖中斜向返回散射信號前沿由于聚焦效應(yīng)引起的信號增強(qiáng)，通過二維離散小波重構(gòu)修復(fù)被干擾淹沒的圖像，使用canny邊緣檢測算子進(jìn)行邊緣提取，并通過形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算與電離層信號群路徑分布的先驗知識對斜向返回散射信號與垂直反射信號進(jìn)行分離，實現(xiàn)參數(shù)判讀，有著判讀精準(zhǔn)、噪聲干擾小、信號質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種電離層斜向返回散射掃頻電離圖的參數(shù)判讀方法，包括如下步驟：

3、對斜向返回散射掃頻電離圖進(jìn)行灰度處理及去噪；

4、經(jīng)過canny邊緣檢測算子提取圖像邊沿后通過形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算連通被噪聲淹沒的頻率點(diǎn)信號，得到連續(xù)的信號邊緣；

5、通過連通域分析劃分電離層垂測信號與斜向返回散射信號；

6、劃定f層斜向返回散射信號起始區(qū)域，并對電離圖沿頻率方向遍歷，得到斜向返回散射信號的頻率-最小群路徑曲線；利用lasso回歸擬合不同頻率點(diǎn)的頻率-最小群路徑曲線獲取f層斜向返回散射前沿。

7、上述方案中，先對斜向返回散射掃頻電離圖進(jìn)行灰度處理和去噪，提高邊緣提取效果，經(jīng)過canny邊緣檢測算子提取圖像邊沿后通過形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算連通被噪聲淹沒的頻率點(diǎn)信號，來預(yù)處理和修復(fù)去噪后的圖像，得到連續(xù)信號邊緣，通過連通域分析劃分電離層垂測信號與斜向返回散射信號，方便識別，確定電離層斜向返回散射信號群路徑區(qū)域后，利用lasso回歸擬合不同頻率點(diǎn)的電離層斜向返回散射信號群路徑最小值獲取電離層斜向返回散射前沿。

8、進(jìn)一步的，所述去噪包含對灰度處理后的斜向返回散射掃頻電離圖進(jìn)行二維離散小波分解，再進(jìn)行二維小波重構(gòu)獲取去噪后的斜向返回散射電離圖。

9、進(jìn)一步的，所述canny邊緣檢測算子提取圖像邊沿包含如下步驟：

10、定義一個高斯濾波器掩膜，使用該掩膜掃描圖像每一像素，并使用掩膜確定的鄰域內(nèi)像素的加權(quán)平均灰度值去替代模板中心像素點(diǎn)的值，利用sobel算子計算圖像像素梯度，再通過設(shè)置兩個閾值并遍歷邊緣像素點(diǎn)，得到含斜向返回散射信號與垂測信號邊緣的二值圖像。

11、進(jìn)一步的，所述形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算連通被噪聲淹沒的頻率點(diǎn)信號包含如下步驟：

12、構(gòu)造一個長方形核，對所述含斜向返回散射信號與垂測信號邊緣的二值圖像與核進(jìn)行形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算表示為：

13、?。

14、進(jìn)一步的，通過連通域分析劃分電離層垂測信號與斜向返回散射信號包含如下步驟：

15、進(jìn)行連通域分析后，選取閾值去除連通像素點(diǎn)過少的連通域，遍歷各個連通域并分類得到的電離圖背景掩膜、垂測信號掩膜、斜向返回散射信號掩膜。

16、進(jìn)一步的，包括如下步驟，單獨(dú)判讀所述電離層垂測信號獲取本地電離層臨界頻率、電子密度峰值高度，判讀步驟如下：

17、對電離圖斜向返回散射信號掩膜位置像素置0，判斷是否存在垂測信號掩膜，若存在，判讀垂測信號掩膜對應(yīng)的最大頻率作為電離層垂測信號x波層臨界頻率，根據(jù)電離層垂測信號x波層臨界頻率和電離圖的接收設(shè)備所在地上空的磁旋頻率為計算出電離層垂測信號o波層臨界頻率和電離層層峰值高度；

18、若垂測信號掩膜不存在，則電離層層臨界頻率與峰值高度參數(shù)由模型提供。

19、進(jìn)一步的，包含如下步驟：

20、判讀所述垂測信號掩膜，提取最小頻率點(diǎn)的群路徑，再計算出f層斜向返回散射信號區(qū)域最小群路徑；

21、沿電離圖頻率軸方向遍歷，對f層斜向返回散射信號區(qū)域中斜向返回散射信號掩膜對應(yīng)位置像素值小于設(shè)定值的像素置零，并選取每一個頻率點(diǎn)的非零像素點(diǎn)最小群路徑，得到斜向返回散射信號的頻率-最小群路徑曲線。

22、進(jìn)一步的，所述f層斜向返回散射前沿為斜向返回散射信號頻率點(diǎn)數(shù)、頻率-最小群路徑曲線、斜向返回散射信號頻率矩陣、正則化參數(shù)、多項式系數(shù)矩陣、多項式系數(shù)矩陣的范數(shù)擬合的三次多項式函數(shù)。

23、一種電離層斜向返回散射掃頻電離圖的參數(shù)判讀系統(tǒng)，包括：

24、第一主模塊，用于對斜向返回散射掃頻電離圖進(jìn)行灰度處理及去噪；

25、第二主模塊，用于通過canny邊緣檢測算子提取圖像邊沿后通過形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算連通被噪聲淹沒的頻率點(diǎn)信號，得到連續(xù)的信號邊緣；

26、第三主模塊，用于通過連通域分析劃分電離層垂測信號與斜向返回散射信號；

27、第四主模塊，用于劃定f層斜向返回散射信號起始區(qū)域，并對電離圖沿頻率方向遍歷，得到斜向返回散射信號的頻率-最小群路徑曲線；利用lasso回歸擬合不同頻率點(diǎn)的頻率-最小群路徑曲線獲取f層斜向返回散射前沿。

28、一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時，使得計算機(jī)執(zhí)行上述的方法的步驟。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

30、1、本發(fā)明利用形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算、有效地提升了電離圖斜向返回散射信號質(zhì)量，能夠在受到嚴(yán)重干擾的條件下將斷裂的斜向返回散射前沿進(jìn)行修復(fù)；

31、2、本發(fā)明有效地分離了電離圖斜向返回散射信號與垂測信號，在能額外獲取本地電離層參數(shù)的同時，進(jìn)一步減少垂測信號的干擾，提高斜向返回散射信號前沿的精準(zhǔn)性；

32、3、本發(fā)明利用lasso回歸擬合斜向返回散射前沿，有效削弱噪聲對前沿位置的影響，同時正則項的引入降低了過擬合的風(fēng)險；配合二維離散小波分解和二維小波重構(gòu)，提高去噪效果；

33、4、本發(fā)明提供一種圖像算法方案，不需要改變硬件配置，實施簡易，兼容性好。