一种电离层三维运动状态重构方法与流程

本发明涉及一种电离层三维运动状态的重构技术，特别是基于海洋遥感回波数据的电离层三维运动状态的重构技术。

背景技术：

由于电离层对人类活动，特别是无线电通信的影响，人类开始对电离层做了大量的研究和测量。实际上电离层是不断变化的，它的各层实际上是由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。电离层随着季节和地球磁场及外层空间和太阳活动会发生很大的变化。在对电离层的研究过程中，依据对电离层的不同探测方式及原理，建立了不同的电离层反演模型，如国际参考电离层(IRI)及中国参考电离层(CRI)。但对电离层特性研究依然离不开电离层的分层结构。电离层主要位于大气层的中间层以上，量化高度在60km至1000km之间，根据不同离子化气体结构，电离层内部依垂直方向存在着界限不明的D层、E层、F1层以及F2层四层。每层结构中，又存在着偶然出现的粒子浓度较高的云状结构，如ES层及扩展的F层。目前，现有技术的显示方式还停留在二维图形，例如电子与信息学报公开了一种基于GPS层析反演和斜向返回探测反演的电离层二维电子密度重构方法，华中科技大学学报公开了一种基于二维OSF的电离层后向散射雷达干扰滤除的方法。

上述现有技术存在如下缺点：电离层在二维状态下显示图形具有不够直观的缺点，不便于开展进一步的电离层的深层次研究工作。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是如何克服电离层在二维状态下显示图形具有不够直观的缺点，以达到便于开展进一步的电离层的深层次研究工作。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于电离层三维状态重构的方法，将回波抑制后的数据从彼此独立的二维数据计算形成三维数据集，从而利用MATLAB处理数据并还原电离层三维的运动状态,包括如下步骤：

(1)对原始电离层回波数据进行抑制处理；

(2)将彼此独立的二维数据计算形成三维数据集；

(3)读取回波抑制后的数据并进行重建数据预处理；

(4)利用isosurface函数计算三维数据集在显示平面中的累计投影；

(5)采用的Canny算子方法来处理电离层外轮廓边缘的构造；

(6)设置颜色并渲染，绘制三维图形，改变视点与视线角度进行明暗处理操作，最后输出三维图形。

对原始电离层回波数据进行抑制处理，包括以下步骤：

(1)经一次傅里叶变换后的某一距离元多普勒数据序列为x_n，相位序列为在-2π～2π生成随机相位改变相位后为

(2)采取小波软阈值收缩处理；

(3)信号重构并且进行加权相消处理；

(4)对处理后的数据进行连续10次解相位处理；

(5)最后进行第二次傅里叶变换，从而得到抑制后有效的回波数据。

isosurface函数是MATLAB中绘制三维隐函数图像的一个函数工具，其函数原理如下：

(1)原型：isosurface(x，y，z，v，isovalue)；

(2)参数：v是关于网格数据x，y，z的体数据，isovalue是对应于v的水平基下的关联数据；

(3)举例：如果使用isosurface(x，y，z，v，isovalue，colors)就可以设置颜色，然后利用patch命令，对面，颜色值等进行显示；

对于重建图像的颜色、阴影及显示效果设置：完成三维重建后，为增加模型的真实感和立体感，需要利用view、daspect、colormap、lighting等函数设置图像的显示效果，其中观察视角由view函数定义，X轴、Y轴和Z轴的显示比例由daspect函数定义，图像的颜色集由colormap函数定义，lighting函数则定义显示图像的光线阴影。

Canny算子方法包括以下步骤：

(1)先将原始图像A(x,y)进行高斯平滑去噪得到B(x,y)：

n表示高斯滤波器窗口大小。

(2)再使用微分算子求出偏导数(Bx,By)：

|B|表示梯度大小。

(3)接着沿幅角方向检测模值的极大值点，即边缘点，遍历8个方向图像像素，把每个像素偏导值与相邻像素的模值比较，取其MAX值为边缘点，置像素灰度值为0，此时即可初步得到边缘点；

(4)最后对经过非极大值抑制后的图像进行双阈值检测，两个阈值作用后得到两个图像，较大阈值检测出的图像去除了大部分噪声，但是也损失了有用的边缘信息。较小阈值检测得到的图像则保留着较多的边缘信息，以此为基础，补充丢失的信息，连接图像边缘，至此算法过程结束。

采用本发明的技术方案可以有效地克服电离层在二维状态下显示图形不够直观的缺点，达到便于开展进一步的电离层的深层次研究工作的有益效果。

附图说明

图1是含有电离层回波的雷达回波距离多普勒频谱图；

图2是电离层回波抑制后的雷达回波距离多普勒频谱图；

图3是二维数据转换成三维数据集的坐标转换图；

图4是电离层三维运动状态重构的流程图；

图5是Canny算子的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进详细说明：

图1和图2分别是电离层回波抑制前、后的距离多普勒频谱图，经过对比图1和从图2的频谱图形，可以看到，经过处理后的电离层回波得到完全抑制，噪声基底得到了较好的平滑，得到的数据及参数效果明显。

图3是二维数据转化成三维数据的坐标转换图。实际上就是从坐标系(X’,Y’,Z’)到坐标系(x,y,z)的转换。由于所有点的二维坐标(X_i,Y_i)都在同一坐标系内，故在转化到(x,y,z)坐标系仍保持不变，而Z_i＝X_icosθ则得三维坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，其中θ为高频雷达俯仰角度。

图4是本发明的主要实现过程。首先对原始电离层回波数据进行抑制处理：(1)经过第一次傅里叶变换后的某一距离元多普勒数据序列为x_n，相位序列为在-2π～2π生成随机相位改变相位后为(2)采取小波软阈值收缩处理；(3)信号重构并且进行加权相消处理；(4)对处理后的数据进行连续10次解相位处理；(5)最后进行第二次傅里叶变换，从而得到抑制后有效的回波数据。然后读取有效的回波数据，通过转换坐标，将独立的二维数据形成三维数据集，再对三维数据集进行预处理操作，设置颜色并渲染，绘制三维图形、改变视点与视线角度进行明暗处理操作最后输出三维图形。

对于三维数据集的制备：在MATLAB中可以用cat函数把转换后的三维数据集成到一个数据集中，然后将其保存为mat文件。Mat文件属于二进制数据文件，是MATLAB存储工作空间中各种变量、矩阵和数组的标准格式。利用mat文件格式保存三维数据集的好处是：可以通过load函数实现对mat文件再次导入，避免每次运行程序时都要重新读入大量数据，以达到缩短程序运行时间之目的。

对于三维数据集在显示平面累计投影：主要利用isosurface函数计算。isosurface是MATLAB中绘制三维隐函数图像的一个函数工具，其函数原理如下：

(1)原型：isosurface(x，y，z，v，isovalue)；

(2)参数：v是关于网格数据x，y，z的体数据，isovalue是对应于v的水平基下的关联数据；

(3)举例：如果使用isosurface(x，y，z，v，isovalue，colors)就可以设置颜色，然后利用patch命令，对面，颜色值等进行显示。

对于重建图像的颜色、阴影及显示效果设置：完成三维重建后，为增加模型的真实感和立体感，需要利用view、daspect、colormap、lighting等函数设置图像的显示效果。其中观察视角由view函数定义，X轴、Y轴和Z轴的显示比例由daspect函数定义，图像的颜色集由colormap函数定义，lighting函数则定义显示图像的光线阴影。

对于电离层边缘轮廓的构造本发明采用当下应用广泛的Canny算子。Canny算子检测边缘的实质是求信号函数的极大值问题来判定图像边缘像素点。

如图5为Canny算子的算法过程：

(1)先将原始图像A(x,y)进行高斯平滑去噪得到B(x,y)：

n表示高斯滤波器窗口大小。

(2)再使用微分算子求出偏导数(Bx,By)：

|B|表示梯度大小。

(3)接着沿幅角方向检测模值的极大值点，即边缘点，遍历8个方向图像像素，把每个像素偏导值与相邻像素的模值比较，取其MAX值为边缘点，置像素灰度值为0，此时即可初步得到边缘点。

(4)最后对经过非极大值抑制后的图像进行双阈值检测，两个阈值作用后得到两个图像，较大阈值检测出的图像去除了大部分噪声，但是也损失了有用的边缘信息。较小阈值检测得到的图像则保留着较多的边缘信息，以此为基础，补充丢失的信息，连接图像边缘，至此算法过程结束。