【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于空间目标探测领域，涉及一种雷达图形短临预测生成方法，具体涉及一种基于时序卷积和超分的电离层扩展f图形预测方法及系统。
技术介绍
1、电离层测高仪或称垂测仪，是一种基于雷达扫频回波探测电离层太空环境的遥感设备，生成的图像数据称为频率-高度图(频高图)，以一条清晰的描迹线反映了电子密度随高度的变化。当电离层f层(约130千米-1000千米，绝大多数航天器飞行区域)一定高度范围内，不是稳定的层状，而是存在一些等离子体精细结构(密度不均匀体，或称不规则体)，它们对入射的电波造成了漫反射，呈现的不是清晰的线状描迹，而是弥散的一片。因此，测高仪的雷达图形中包含了电离层背景的电子密度垂直剖面信息，和电离层空间环境扰动变化相关的图像信息，是7*24小时持续监测电离层空间环境和空间天气的关键科学仪器数据。
2、扩展f是电离层等离子体扰动和不规则体这类自然现象影响无线电波传播从而在频高图中产生的特定的弥散图形，其不同的形态对应了不同的物理规律。目前国际上接受度比较高的扩展f类型分类是国际无线电科学联盟1978年修订的《电离图解释与度量手册》，根据频高图中的图形特征分成频率型(frequency spread f，简称fsf)、区域型(rangespread f，简称rsf)、混合型(mixed spread f，简称msf)、歧型(branch spread f，简称bsf)。在实践当中，中国科学院国家空间科学中心电离层研究课题组的科研人员认为，位于中国低纬度地区的海南富克站(19.5°n，109.1°e)的测高仪探测到的
3、电离层扩展f现象所反映的电离层扰动和等离子体不规则体会直接干扰无线电波传播，例如ssf所对应的等离子体泡会产生显著的信号闪烁；另外，航天器穿越等离子体不规则体时，也要考虑密度变化的效应。因此，扩展f现象发生、发展及其特征，无论在科学研究还是应用方面，都有重要影响，扩展f现象的预测是空间天气学重要的研究课题。
4、abdu等学者自上世纪末开始利用三次样条插值法预测巴西地区电离层扩展f的发生概率，成功将其应用于国际参考电离层模型。该方法的利用太阳、地磁活动指数、经纬度和时间等参数，能够准确预测月平均扩展f发生的概率。然而，该模型在构建时未考虑中国地区电离层的垂测数据，因此在中国地区的预测效果存在较大偏差。徐彤等国内学者采用傅里叶级数展开的算法对中国地区电离层扩展f的发生概率进行了预测，并发现该模型优于iri模型的预测精度。此后，一些学者开始尝试使用人工神经网络(ann)算法进行扩展f预测。这种方法能够有效地处理电离层中的高度非线性和复杂的物理过程，因此能够获得比传统算法更高的预测精度。上述预测方法仅仅能得到扩展f的数据，由于频高图承载的信息要远远大于单个数据能够表示的内容，所以对电离层频高图的预测难度相对来说较大，应用价值也更高。综上可以看出，国内外学者对频高图扩展f现象的预测十分重视，但受限于频高图图形复杂、至今依赖于人眼识别，至今没有效果显著、广泛接受的预测模型。
5、随着中国航天技术的不断推进，特别是中国科学院国家空间科学中心领导下的子午工程二期至2023年在全国范围内新增部署10台电离层测高仪，全国有超过20台专用的测高仪科学仪器，以及大量原理相似的高频无线电波雷达。这些测高仪以每5-15分钟的分辨率7*24小时工作，甚至有工程师开发的高精度探测网达到1分钟分辨率。这些仪器将会产生大量的频高图用于我国不同纬度地区电离层的研究，实时监测过程中科研和应用对短临预测的需求十分迫切。而针对这个方面的工作，空间中心太阳与空间天气重点实验室电离层课题组学者经过手工完成了2002-2015年14年间海南富克站(19.5°n,109.1°e)频高图的分类标记工作，这为多种类型扩展f的特征提取和预测提供了研究基础。
6、电离层测高仪连续观测的雷达图形可以被看做时序图像序列，图中所反映的电离层密度、高度是逐渐变化的，各类扩展f现象也存在发生-发展-消亡的过程，频高图15分钟的时间分辨率保证了这些现象不是骤然变化的。因此，基于时序卷积模型有望根据图形变化趋势，提取变化特征，短临预测生成能够反映关键特征信息的频高图，预测图形中是否会出现扩展f现象、预测图形所具备的不同类型扩展f的特征。但由于模型的限制，生成图像清晰度较低，不符合真实频高图的特征，其模糊图形极易与扩展f图形混淆，干扰预测结果，因此，用超分方法进行高清化，才能更好的准确预测扩展f现象。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服由于频高图的科学性和复杂性，以往国际上只能参量化预测部分信息，例如只预测fof2等电离层参量或扩展f的月发生率，特别是短临频高图中扩展f现象的出现和特征无法有效预测的问题，本专利技术开发结合了生成模型和超分模型的系统，能够自行对海南测高仪频高图进行短临预测，特别是其中的扩展f现象的出现以及类型的图形特征进行预测，并达到以下目的：
2、(1)实现地基测高仪探测的扩展f能够表征的电离层扰动和等离子体不规则体的短临预报、预警；
3、(2)有助于自动判别和提取电离层频高图中关于扩展f现象的先兆信息；
4、(3)有助于科研人员研究扩展f能够表征的电离层扰动和等离子体不规则体出现前的物理过程和机制。
5、为达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案实现。
6、本专利技术提出了一种基于时序卷积和超分的电离层扩展f图形预测方法，包括：
7、将电离层测高仪某一时刻之前产生的m张连续的频高图预处理后输入预先建立和训练好的扩展f雷达图形预测生成模型，得到未来时刻将要产生的n张频高图；所述扩展f雷达图形预测生成模型的网络结构依次包括：convgru网络和edsr网络；
8、分析n张频高图，预测是否发生电离层扩展f现象，并预测生成反映扩展f类型的图形特征；所述扩展f类型包括：无扩展f、频率型fsf、区域型rsf、混合型msf和强区域型ssf。
9、作为上述技术方案的改进之一，所述预处理包括：
10、按照设置要求，将频高图图像的坐标、像素和格式统一；
11、对图片进行裁剪，去除主要图形周围的辅助信息部分和坐标轴信息，保留频高图主要图形部分；所述辅助信息部分包括文字描述和色彩条；
12、对图片进行拉伸，规范像素。
13、作为上述技术方案的改进之一，所述convgru网络包括：编码网络、解码网络和一个卷积层；
14、所述编码网络包括6个区块，每个区块均包括：一本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于时序卷积和超分的电离层扩展F图形预测方法，包括：
2.根据权利要求1所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展F图形预测方法，其特征在于，所述预处理包括：
3.根据权利要求1所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展F图形预测方法，其特征在于，所述ConvGRU网络包括：编码网络、解码网络和一个卷积层；
4.根据权利要求3所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展F图形预测方法，其特征在于，所述方法还包括：对ConvGRU网络进行训练；训练过程包括：
5.根据权利要求1所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展F图形预测方法，其特征在于，所述EDSR网络依次包括：卷积层、激活函数层、残差缩放层和上采样层；其中，
6.根据权利要求5所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展F图形预测方法，其特征在于，所述方法还包括：采用监督学习的方法对ConvGRU网络进行训练；训练过程包括：
7.根据权利要求6所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展F图形预测方法，其特征在于，所述退化操作，依次包括：
8.根据权利要求4或6所述的基于
9.一种基于时序卷积和超分的电离层扩展F图形预测系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于时序卷积和超分的电离层扩展f图形预测方法，包括：
2.根据权利要求1所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展f图形预测方法，其特征在于，所述预处理包括：
3.根据权利要求1所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展f图形预测方法，其特征在于，所述convgru网络包括：编码网络、解码网络和一个卷积层；
4.根据权利要求3所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展f图形预测方法，其特征在于，所述方法还包括：对convgru网络进行训练；训练过程包括：
5.根据权利要求1所述的基于时序卷积和超分的电离层扩展f图形预测方法，其特征在于，所述edsr网络依次包括：卷积层、激活函数层、残差缩放层和上采样层；其中，
6.根据权利要求5所述的基于时序卷...
【专利技术属性】
技术研发人员：王铮，蔡金慧，高鹏东，王国军，史建魁，裘初，齐全，王霄，程征伟，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：
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