本發(fā)明涉及一種電離層三維運動狀態(tài)的重構(gòu)技術(shù)，特別是基于海洋遙感回波數(shù)據(jù)的電離層三維運動狀態(tài)的重構(gòu)技術(shù)。

背景技術(shù)：

由于電離層對人類活動，特別是無線電通信的影響，人類開始對電離層做了大量的研究和測量。實際上電離層是不斷變化的，它的各層實際上是由塊狀的、云一般的、不規(guī)則的電離的團或者層組成。電離層隨著季節(jié)和地球磁場及外層空間和太陽活動會發(fā)生很大的變化。在對電離層的研究過程中，依據(jù)對電離層的不同探測方式及原理，建立了不同的電離層反演模型，如國際參考電離層(IRI)及中國參考電離層(CRI)。但對電離層特性研究依然離不開電離層的分層結(jié)構(gòu)。電離層主要位于大氣層的中間層以上，量化高度在60km至1000km之間，根據(jù)不同離子化氣體結(jié)構(gòu)，電離層內(nèi)部依垂直方向存在著界限不明的D層、E層、F1層以及F2層四層。每層結(jié)構(gòu)中，又存在著偶然出現(xiàn)的粒子濃度較高的云狀結(jié)構(gòu)，如ES層及擴展的F層。目前，現(xiàn)有技術(shù)的顯示方式還停留在二維圖形，例如電子與信息學(xué)報公開了一種基于GPS層析反演和斜向返回探測反演的電離層二維電子密度重構(gòu)方法，華中科技大學(xué)學(xué)報公開了一種基于二維OSF的電離層后向散射雷達干擾濾除的方法。

上述現(xiàn)有技術(shù)存在如下缺點：電離層在二維狀態(tài)下顯示圖形具有不夠直觀的缺點，不便于開展進一步的電離層的深層次研究工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何克服電離層在二維狀態(tài)下顯示圖形具有不夠直觀的缺點，以達到便于開展進一步的電離層的深層次研究工作。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于電離層三維狀態(tài)重構(gòu)的方法，將回波抑制后的數(shù)據(jù)從彼此獨立的二維數(shù)據(jù)計算形成三維數(shù)據(jù)集，從而利用MATLAB處理數(shù)據(jù)并還原電離層三維的運動狀態(tài),包括如下步驟：

(1)對原始電離層回波數(shù)據(jù)進行抑制處理；

(2)將彼此獨立的二維數(shù)據(jù)計算形成三維數(shù)據(jù)集；

(3)讀取回波抑制后的數(shù)據(jù)并進行重建數(shù)據(jù)預(yù)處理；

(4)利用isosurface函數(shù)計算三維數(shù)據(jù)集在顯示平面中的累計投影；

(5)采用的Canny算子方法來處理電離層外輪廓邊緣的構(gòu)造；

(6)設(shè)置顏色并渲染，繪制三維圖形，改變視點與視線角度進行明暗處理操作，最后輸出三維圖形。

對原始電離層回波數(shù)據(jù)進行抑制處理，包括以下步驟：

(1)經(jīng)一次傅里葉變換后的某一距離元多普勒數(shù)據(jù)序列為x_n，相位序列為在-2π～2π生成隨機相位改變相位后為

(2)采取小波軟閾值收縮處理；

(3)信號重構(gòu)并且進行加權(quán)相消處理；

(4)對處理后的數(shù)據(jù)進行連續(xù)10次解相位處理；

(5)最后進行第二次傅里葉變換，從而得到抑制后有效的回波數(shù)據(jù)。

isosurface函數(shù)是MATLAB中繪制三維隱函數(shù)圖像的一個函數(shù)工具，其函數(shù)原理如下：

(1)原型：isosurface(x，y，z，v，isovalue)；

(2)參數(shù)：v是關(guān)于網(wǎng)格數(shù)據(jù)x，y，z的體數(shù)據(jù)，isovalue是對應(yīng)于v的水平基下的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)；

(3)舉例：如果使用isosurface(x，y，z，v，isovalue，colors)就可以設(shè)置顏色，然后利用patch命令，對面，顏色值等進行顯示；

對于重建圖像的顏色、陰影及顯示效果設(shè)置：完成三維重建后，為增加模型的真實感和立體感，需要利用view、daspect、colormap、lighting等函數(shù)設(shè)置圖像的顯示效果，其中觀察視角由view函數(shù)定義，X軸、Y軸和Z軸的顯示比例由daspect函數(shù)定義，圖像的顏色集由colormap函數(shù)定義，lighting函數(shù)則定義顯示圖像的光線陰影。

Canny算子方法包括以下步驟：

(1)先將原始圖像A(x,y)進行高斯平滑去噪得到B(x,y)：

n表示高斯濾波器窗口大小。

(2)再使用微分算子求出偏導(dǎo)數(shù)(Bx,By)：

|B|表示梯度大小。

(3)接著沿幅角方向檢測模值的極大值點，即邊緣點，遍歷8個方向圖像像素，把每個像素偏導(dǎo)值與相鄰像素的模值比較，取其MAX值為邊緣點，置像素灰度值為0，此時即可初步得到邊緣點；

(4)最后對經(jīng)過非極大值抑制后的圖像進行雙閾值檢測，兩個閾值作用后得到兩個圖像，較大閾值檢測出的圖像去除了大部分噪聲，但是也損失了有用的邊緣信息。較小閾值檢測得到的圖像則保留著較多的邊緣信息，以此為基礎(chǔ)，補充丟失的信息，連接圖像邊緣，至此算法過程結(jié)束。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案可以有效地克服電離層在二維狀態(tài)下顯示圖形不夠直觀的缺點，達到便于開展進一步的電離層的深層次研究工作的有益效果。

附圖說明

圖1是含有電離層回波的雷達回波距離多普勒頻譜圖；

圖2是電離層回波抑制后的雷達回波距離多普勒頻譜圖；

圖3是二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)集的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖；

圖4是電離層三維運動狀態(tài)重構(gòu)的流程圖；

圖5是Canny算子的算法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進詳細說明：

圖1和圖2分別是電離層回波抑制前、后的距離多普勒頻譜圖，經(jīng)過對比圖1和從圖2的頻譜圖形，可以看到，經(jīng)過處理后的電離層回波得到完全抑制，噪聲基底得到了較好的平滑，得到的數(shù)據(jù)及參數(shù)效果明顯。

圖3是二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成三維數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖。實際上就是從坐標(biāo)系(X’,Y’,Z’)到坐標(biāo)系(x,y,z)的轉(zhuǎn)換。由于所有點的二維坐標(biāo)(X_i,Y_i)都在同一坐標(biāo)系內(nèi)，故在轉(zhuǎn)化到(x,y,z)坐標(biāo)系仍保持不變，而Z_i＝X_icosθ則得三維坐標(biāo)為(X_i,Y_i,Z_i)，其中θ為高頻雷達俯仰角度。

圖4是本發(fā)明的主要實現(xiàn)過程。首先對原始電離層回波數(shù)據(jù)進行抑制處理：(1)經(jīng)過第一次傅里葉變換后的某一距離元多普勒數(shù)據(jù)序列為x_n，相位序列為在-2π～2π生成隨機相位改變相位后為(2)采取小波軟閾值收縮處理；(3)信號重構(gòu)并且進行加權(quán)相消處理；(4)對處理后的數(shù)據(jù)進行連續(xù)10次解相位處理；(5)最后進行第二次傅里葉變換，從而得到抑制后有效的回波數(shù)據(jù)。然后讀取有效的回波數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，將獨立的二維數(shù)據(jù)形成三維數(shù)據(jù)集，再對三維數(shù)據(jù)集進行預(yù)處理操作，設(shè)置顏色并渲染，繪制三維圖形、改變視點與視線角度進行明暗處理操作最后輸出三維圖形。

對于三維數(shù)據(jù)集的制備：在MATLAB中可以用cat函數(shù)把轉(zhuǎn)換后的三維數(shù)據(jù)集成到一個數(shù)據(jù)集中，然后將其保存為mat文件。Mat文件屬于二進制數(shù)據(jù)文件，是MATLAB存儲工作空間中各種變量、矩陣和數(shù)組的標(biāo)準(zhǔn)格式。利用mat文件格式保存三維數(shù)據(jù)集的好處是：可以通過load函數(shù)實現(xiàn)對mat文件再次導(dǎo)入，避免每次運行程序時都要重新讀入大量數(shù)據(jù)，以達到縮短程序運行時間之目的。

對于三維數(shù)據(jù)集在顯示平面累計投影：主要利用isosurface函數(shù)計算。isosurface是MATLAB中繪制三維隱函數(shù)圖像的一個函數(shù)工具，其函數(shù)原理如下：

(1)原型：isosurface(x，y，z，v，isovalue)；

(2)參數(shù)：v是關(guān)于網(wǎng)格數(shù)據(jù)x，y，z的體數(shù)據(jù)，isovalue是對應(yīng)于v的水平基下的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)；

(3)舉例：如果使用isosurface(x，y，z，v，isovalue，colors)就可以設(shè)置顏色，然后利用patch命令，對面，顏色值等進行顯示。

對于重建圖像的顏色、陰影及顯示效果設(shè)置：完成三維重建后，為增加模型的真實感和立體感，需要利用view、daspect、colormap、lighting等函數(shù)設(shè)置圖像的顯示效果。其中觀察視角由view函數(shù)定義，X軸、Y軸和Z軸的顯示比例由daspect函數(shù)定義，圖像的顏色集由colormap函數(shù)定義，lighting函數(shù)則定義顯示圖像的光線陰影。

對于電離層邊緣輪廓的構(gòu)造本發(fā)明采用當(dāng)下應(yīng)用廣泛的Canny算子。Canny算子檢測邊緣的實質(zhì)是求信號函數(shù)的極大值問題來判定圖像邊緣像素點。

如圖5為Canny算子的算法過程：

(1)先將原始圖像A(x,y)進行高斯平滑去噪得到B(x,y)：

n表示高斯濾波器窗口大小。

(2)再使用微分算子求出偏導(dǎo)數(shù)(Bx,By)：

|B|表示梯度大小。

(3)接著沿幅角方向檢測模值的極大值點，即邊緣點，遍歷8個方向圖像像素，把每個像素偏導(dǎo)值與相鄰像素的模值比較，取其MAX值為邊緣點，置像素灰度值為0，此時即可初步得到邊緣點。

(4)最后對經(jīng)過非極大值抑制后的圖像進行雙閾值檢測，兩個閾值作用后得到兩個圖像，較大閾值檢測出的圖像去除了大部分噪聲，但是也損失了有用的邊緣信息。較小閾值檢測得到的圖像則保留著較多的邊緣信息，以此為基礎(chǔ)，補充丟失的信息，連接圖像邊緣，至此算法過程結(jié)束。