空基电场数据处理方法综述_李忠.pdf

2023 年第 38 卷 第2期2023，38(2):0562-0577地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P李忠，杨百一，黄建平，等2023 空基电场数据处理方法综述 地球物理学进展，38(2):0562-0577，doi:10 6038/pg2023GG0302LI Zhong，YANG BaiYi，HUANG JianPing，et al 2023 Overview of space-based electric field data processing methods Progress in Geophysics(inChinese)，38(2):0562-0577，doi:106038/pg2023GG0302空基电场数据处理方法综述Overview of space-based electric field data processing methods李忠1，2，杨百一1，2，黄建平1，3*，陈朝阳1，4，杨旭明1，2，韩莹4，张富志1，4，鲁恒新1，3LI Zhong1，2，YANG BaiYi1，2，HUANG JianPing1，3*，CHEN ZhaoYang1，4，YANG XuMing1，2，HAN Ying4，ZHANG FuZhi1，4，LU HengXin1，3收稿日期2022-09-09;修回日期2022-12-25投稿网址http:/www progeophys cn基金项目中央高校基本科研业务费专项(ZY20180121)、国家重点研发计划专题(2018YFC1503806-07)和亚太空间合作组织地震专项二期项目和 ISSI-BJ2019 联合资助第一作者简介李忠，男，1966 年生，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为人工智能和大数据技术 E-mail:Lizhong cidp edu cn*通讯作者黄建平，男，1979 年生，博士，副研究员，硕士生导师，主要研究方向为地震电离层的基础理论与应用研究E-mail:jianpinghuang ninhm ac cn1 防灾科技学院智能应急信息处理研究所，廊坊0652012 防灾科技学院应急管理学院，廊坊0652013 国家自然灾害防治研究院，北京1000854 防灾科技学院信息工程学院，廊坊0652011 Institute of Intelligent Emergency Information Processing，Institute of Disaster Prevention，Langfang 065201，China2 Emergency Management School，Institute of Disaster Prevention，Langfang 065201，China3 National Institute of Natural Hazards，Ministry of Emergency Management of China，Beijing 100085，China4 Information Engineering School，Institute of Disaster Prevention，Langfang 065201，China摘要地震孕育过程中激发的电磁波穿过大气层进入太空，引起电离层物理参量发生变化，这些扰动信号可被卫星记录下来，因此电磁卫星作为一种监测预测地震的新手段越来越受到重视 卫星记录的数据具有时空同步变化性、数据量大等特点，需要采用多种数据处理方法进行分析 本文分析了卫星观测的地震前兆电场数据服务的不同需求，对地震电离层异常分析的不同阶段所采用的数据处理方法进行了梳理和总结，指出了不同方法的适应条件和环境，对几种典型的算法给出了实例分析效果 这为利用电磁卫星进行数据分析和研究的工作者提供了参考，具有现实意义关键词数据处理方法;地震电离层现象;DEMETE;张衡一号卫星中图分类号P351文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0302AbstractElectromagnetic waves excited in the process ofearthquake preparation can pass through the atmosphereand enter space，causing changes in ionospheric physicalparameters These disturbance signals can be recorded bysatellites Therefore，electromagnetic satellites，as a newmeans of monitoring and predicting earthquakes，haveattracted more and more attention With the characteristicsof spatiotemporal synchronous change and large amount ofdata recorded by satellite，it needs a variety of dataprocessing methodsThis paper analyzes the differentrequirements of seismic precursory electric field dataservice observed by satellite，combs and summarizes thedata processing methods used in different stages of seismicionospheric anomaly analysis，points out the adaptiveconditions and environment of different methods，and givesthe practical analysis results of several typical algorithmsThisprovidesareferenceforworkerswhouseelectromagnetic satellites for data analysis and research，and has practical significanceKeywordsData processing method;Seismic ionosphericphenomena;DEMETE;ZH-1 satellite2023，38(2)李忠，等:空基电场数据处理方法综述(www progeophys cn)0引言地震在所有的自然灾害中对人类社会造成的影响最大，严重地威胁着人类的生产活动和日常生活，因此被称为百害之首(张培震，2008)地震的产生是一个非常复杂的物理化学过程，这使得地震的预测预报成为当前世界的一大难题，因此准确地预测和预报地震一直是地震学家乃至全人类共同的希冀(尼鲁帕尔买买吐孙和张永仙，2012)但在地震产生的同时，还伴随着地球物理、化学、压电、压磁等效应，这些效应可以通过岩石圈-大气层-电离层之间的耦合作用传播开来，向上穿透大气层，到达电离层，引起孕震区上空一定范围内的电离层发生异常变化(丁鉴海等，2006)，这就为利用空间电离层扰动变化研究地震提供了可能性自从 Leonard 和 Barnes 在 1964 年的阿拉斯加大地震中首次发现地震电离层效应(Moore，1964;Davies and Baker，1965)以来，关于地震电离层的研究与报道便如雨后春笋般层出不穷 同时，卫星观测技术的不断升级也为研究电离层提供了新的途径进入 21 世纪后，许多国家发射了用于监测空间环境的卫星，甚至于专用于地震观测，如法国在 2004 年发射的 DEMETE 卫星，是第一颗进行地震电离层扰动监测的专用卫星(Cussac et al，2006;Zhao etal，2020)其稳定在轨运行 6 年，积累了大量的原始观测数据和典型震例 我国借鉴了其成功经验，于2018 年2 月2 日将一颗自主研发的专用地震电磁监测卫星 张衡一号(China Seismo-ElectromagneticSatelite，CSES)成功发射入轨(张学民等，2016)该卫星的科学目标是获取全球电磁场、电离层等离子体、高能粒子观测数据，对中国及周边区域开展电离层动态实时监测和地震前兆跟踪监测，探索地震电离层的扰动机制(申旭辉等，2018;袁仕耿等，2018;马勉军等，2018)地球被大气层、电离层、磁层等层层包裹，电磁监测卫星在电离层中工作，而电离层容易受到来自上、下两个方向(太阳活动、磁暴、岩石圈等)的干扰(胡云鹏等，2020)如何将有效的地震信号从复杂的空间环境中准确地提取出来，已经成为研究人员关注的重要科学问题 对于不同的空间观测任务目标，需要采用不同的数据处理方法 有鉴于此，本文将从不同业务角度进行归纳分类，按照算法适应性加以梳理，总结一些在空间电离层研究中的典型方法，以及这些方法在地震中的应用1背景场构建阶段的方法在研究地震的电离层现象中，想要获取到显著的震前电离层异常变化，需要首先构建能够描绘出震区上空的时空规律的背景场1.1空间网格化划分方法为获取真实的地震信息，尽可能排除干扰，需要构建观测值统计背景场信息 但空间背景场很不均匀，不同的高度、不同的区域、不同的时间，空间背景都不一样，这就需要对空间进行划分 空间网格化划分方法，顾名思义，就是将大尺度的空间划分为小尺度的、更加精细的网格，通常是均等网格，以捕获较为准确的异常变化 在研究地震电离层前兆信号时，需要按照下面的孕震区范围的经验公式计算不同震级条件下的孕震区大小(Dobrovolsky et al，1979):=100.43M，(1)其中 M 为震级，为孕震区半径 然后将孕震区切分为均匀的网格，计算落在每个网格内的背景信号，这种背景信号可能会是几个周期、几个月或者几年内同一网格范围的观测数据(Le et al，2011;杨牧萍等，2018;杨静等，2021)图 1AIMA 计算流程Fig 1Arima calculation process365地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 2电场 ULF 频段原始波形(a)及去除趋势后的电场扰动波形(b)(欧阳新艳和申旭辉，2015b)Fig 2Original waveform of electric field ULF band(a)and electric field disturbancewaveform after trend removal(b)(Ouyang and Shen，2015b)图 3去除电场趋势后的小尺度残差扰动波形Fig 3Small scale residual disturbance waveform after removing electric field trend在对汶川地震分析中，杨静等(2021)使用DEMETE 卫星 20052007 年间每年的 5 8 月份的汶川地区的电场数据，运用网格划分法分析了其时空规律，发现在汶川地震前电场各个频段均发生了 PSD(Power spectral density)增强的现象;泽仁志玛等(2012)使用 DEMETE 卫星观测震前 5 个月的4652023，38(2)李忠，等:空基电场数据处理方法综述(www progeophys cn)图 4残差扰动波形的小波时频变换图Fig 4Wavelet time-frequency transformation diagram of residual disturbance waveform磁场数据，利用网格化划分的数据方法构建了背景场，研究发现汶川地