一种检测地震电离层TEC异常的方法与流程

本发明属于对空间环境的监测技术领域，涉及一种检测地震电离层tec异常的方法，尤其涉及一种适合复杂多变的空间电离层tec的监测方法。

背景技术：

地震是对人类造成破坏性最大、危害最为严重的突发性自然灾害之一。大量研究表明，地震活动也会在电离层中诱发声重波的产生和传播，电离层tec(tec，totalelectroniccontents，电离层电子总含量)在地震前后一小段时间内会出现异常的增大或减小，在孕震区上空附近表现出来，可视为地震引起的电离层效应。因此，对电离层tec异常活动的检测研究成为当前地震监测预报研究的焦点之一。考虑到一般震级地震引起的电离层tec的变化并不明显，其电离层tec的变化幅度和背景电离层的波动相当，因此，震级不是很大的地震引起的电离层tec扰动信息很可能会淹没在背景电离层正常变化“噪声”之中。因此，在对空间电离层tec监测时迫切需要寻找一种能有效准识别电离层tec是否出现异常变化的新的途径和方法。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的目前地震电离层效应中电离层tec异常的无法有效检测和有效识别的技术问题，本发明提供了一种方法简单、利于编程、极大地提高了检测结果的准确度以及具有显著的科研和使用价值的检测地震电离层tec异常的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种检测地震电离层tec异常的方法，其特征在于：所述检测地震电离层tec异常的方法包括下列步骤：

1)采用savitzky-golay滤波对电离层tec时间序列进行平滑处理，得到tec平滑值；

2)将tec的观测值和步骤1)得到的平滑值做差，得到的tec残差即视为异常。

作为优选，本发明所采用的步骤1)的具体实现方式是：

1.1)选取任一各网点tec的时间序列tec(t)(t＝1～n)；

1.2)采用savitzky-golay滤波对电离层tec时间序列tec(t)(t＝1～n)进行平滑处理，得到tec平滑值

作为优选，本发明所采用的步骤1.2)中tec平滑值的表达式是：

其中：

t为当前历元；

m和k分别为滤波窗口前后的历元个数；

滤波窗口的长度为(m+k-1)，这里选取的长度为9；

ai为滤波系数。

作为优选，本发明所采用的滤波系数ai需满足拟合误差的平方和e最小，即：

作为优选，本发明所采用的步骤2)的具体实现方式是：

2.1)选取任一个网点tec的时间序列tec(t)(t＝1～n)；

2.2)计算tec观测值和步骤1)得到的tec平滑值的差值，所述差值是地震电离层tec扰动的时间序列δtec(t)(t＝1～n)；

2.3)通过地震电离层tec扰动的时间序列δtec(t)直观地看出tec是否出现异常扰动。

作为优选，本发明所采用的步骤2.2)中地震电离层tec扰动的时间序列δtec(t)的表达式是：

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本发明包括对基于savitzky-golay滑动滤波对电离层电子总含量(tec，totalelectroniccontents)数据的平滑、对观测值和平滑值做差，得到的tec残差即视为异常。1)本发明是基于savitzky-golay滤波对电离层tec进行平滑，从源头上滤去了其tec本身所具有的时间周期性和波动性，提高了检测结果的可靠性。2)本发明原理简单，编程简单，可操作性强，便于实际操作。本发明为地震电离层tec异常检测提供一种新的方法，本发明方法简单快速，创新性地对savitzky-golay平滑后的残差数据进行处理，扣除了tec解算中的波动性和长周期性，相对于其它平滑方法，能保留电离层tec的极大值、极小值和宽度等分布特性，减少了误差源对检测结果的干扰，大幅度提高了检测结果的可靠性。

附图说明

图1是本发明所提供的检测地震电离层tec异常的方法的流程图；

图2是基于本发明所提供的检测地震电离层tec异常的方法检测到的地震电离层tec异常分布图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明所提供的检测地震电离层tec异常的方法进行详细说明：

实施例1：

如图1所示，本发明提供了一种检测地震电离层tec异常的方法，它包括如下步骤：

第一步、对电离层tec时间序列进行平滑滤波；选取任一点tec的时间序列tec(t)(t＝1～n)，采用savitzky-golay滤波方法对电离层tec时间序列进行平滑滤波，得到平滑后的时间序列

式中，t为当前历元，m和k分别为滤波窗口前后的历元个数，具体平滑处理时滤波窗口的长度选为9，ai为滤波系数，不需要求出具体值。仅需满足拟合误差的平方和e最小即可：

第二步、计算tec平滑值与观测值的差值，得到地震电离层tec扰动的时间序列δtec(t)(t＝1～n)：

通过残差时间序列便可以直观地看出tec是否出现了异常扰动。

第三步、保存检测结果，检测结果请见图2。

按照图1处理分析方法，对2015年4月15日发生的尼泊尔mw7.8地震前1小时和震后2小时的tec时间序列进行异常检测，作为示例，图2给出了三个观测站kkn4、nast、sybc的处理结果，横轴代表时间，竖直虚线表示地震发生的时刻06：11：26ut，纵轴为电离层tec异常扰动时间序列。如图2所示，左图为未经处理的电离层tec在地震前后均出现一定程度的波动，最大峰值在震后约5分钟后；右图中可以直观地看出震前电离层tec没有异常扰动发生，在地震发生后约5min电离层tec开始出现区别于常态波动的异常扰动，图中的kkn4、nast、sybc是三个观测站的名字。

本发明的工作原理是：考虑到savitzky-golay滤波能够保留电离层tec的极大值、极小值和宽度分布等特性，故在本发明中先用savitzky-golay滤波对电离层tec时间序列进行平滑处理，再将tec的观测值与平滑值做差，得到的tec残差从源头上滤去了其本身所固有的时间周期性和波动性，故通过本方法处理后的电离层tec异常扰动更加直观、可靠。