GNSS在同震电离层扰动监测中的应用研究

发布时间：2020-08-04 10:17

【摘要】：地震、海啸以及火山爆发等固体地球事件均可能引发可探测的电离层扰动。近年来随着GNSS在地学研究中的广泛应用,利用GNSS电离层总电子含量进行同震电离层扰动(Co-seismic Ionospheric Disturbances,CIDs)探测成为研究的热点。本论文旨在系统研究地基GNSS TEC探测CIDs的方法和技术,为利用GNSS观测值进行地震、海啸预警提供理论基础和技术支持。论文从GNSS电离层扰动序列的提取、扰动传播特征分析方法以及测站分布、地震类型和卫星几何条件对CIDs探测影响等方面展开研究。主要工作和结果如下:(1)根据地震海啸中产生的声波、重力波与大气的耦合原理,分析其传播特性,为地震海啸引起的电离层扰动信号探测提供理论支撑。地表破裂以及Rayleigh波传播激发向上传播的声重波,8-10min传播至电离层高度,之后分别以声波和Rayleigh波速度沿水平方向传播;海啸激发的重力波在电离层中引起的扰动的水平传播速度与海啸波一致,但其向上传播至电离层高度大约需要60min,且与海面信号存在10min左右的水平延迟。(2)阐述了利用GNSS数据提取电离层扰动序列的方法以及扰动传播特征分析方法。本文采用Savitzky-Golay滤波法来提取电离层扰动序列,该方法可以较好地保留扰动波形、频率等信息;通过对比几何解析法、二维扰动图、时间-距离图以及频谱分析图等扰动传播分析,发现各方法在实时处理、测站分布等方面各有利弊,在对实例进行分析时需要结合四种方法综合进行分析。(3)采用全球范围内四个地震实例,针对测站分布情况不同(密集或稀疏),采用不同的分析方法,较为全面地对其激发的CIDs的传播特征(波形、到时、传播方向、速度、频率等)进行分析,证明在地震发生后,电离层中会出现由不同扰动源激发的不同类型的扰动,传播特征各异。(4)对比分析四个震例的地震类型(逆冲型、走滑型或复合型),通过逆冲型或复合型地震(产生垂直位移)均激发了可探测的CIDs,而走滑型地震(仅产生水平位移)不能激发可探测的CIDs,进一步验证CIDs是由垂直位移引起的;分析了卫星射线路径不同对CIDs探测的影响,当视线仅穿过正(负)能量区时,幅值较大易于探测,当视线等长穿过正负能量区时,幅值较小影响信号正确识别。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P228.4;P315.7
【图文】：

武汉大学硕±学位论文第二章地巧－电离层岕合原理逡逑离层巧况逡逑高层大气中的中性气体分子在各种射线Ｗ及商能粒子的作用下部产生了大量的电子和正离子，形成仍为中性粒子体的区域（宏观上），层。电离层高度在６０－１０００ｋｍ左右，由于不同强度太阳福射能量Ｗ密度的影响，其中的电子密度随高度不同而变化。按照不同电子密度峰的高度，可１＾将整个电离层分为３层，即０层、Ｅ层和Ｆ层，而ＦＦ１、Ｆ２两层。如图所示，电离层中电子密度最大的处于Ｆ２层（高ｋｍ），电子密度在白天最大可达ｌ0ｉ２ｅ／ｗ３。逡逑

武奴大学硕出学位论文逦逡逑Ｍ逦Ｙ邋—邋ｙ逡逑Ｙｉ邋二苦（３．２－：ｌ）逡逑台邋Ａｘ逡逑其中，Ｍ为拟合阶数，为系数矩阵。根据拟合得到的Ｗ次多项式；７ｂ．）：逡逑Ａ似＝逦（３．２－２）逡逑台邋Ａｘ逡逑广逦＿｜２逡逑基于最小二乘思想，使得成立。逡逑ｉ－ｍ逡逑图３．２．１出了采取不同窗日长度和阶数的结果，根据滤波算法原理和实验结逡逑果可知，Ｗ越大，曲线平滑性相对越好，但曲线的特性不明显；Ｍ越大，失真逡逑率越低，但低频部分的平滑度低，且计算量大。逡逑（ａ）邋４－ｏｒｄｅｒ邋ｆｉｌｔｅｒ逦（ａ）邋７－ｏｒｄｅｒ邋ｆｉｌｔｅｒ逦（ａ）邋１０－ｏｒｄｅｒ邋ｆｉｌｔｅｒ逡逑＇

／邋＝邋１．０４ｗ化，根据第二章内容可知，其符合重为波的传播特征，因此可＆判断，逡逑此次地震中产生了向上传播的重力波，在电离层中引起扰动。逡逑３．３．３时间－距离困逡逑对于地震、海V/Ｗ及核爆炸等点源类事件激发的电离层扰动可＾！采用距离时逡逑间－距离图进行分析，即将电离层扰动位置表示为时间的函数。根据图中化动值逡逑分布容易得到扰动传播速度。逡逑图３．３．２为根据地震实例绘制的时间－距离图。图３．３．２左图采用２０１１年３月逡逑１１曰日本ＧＥＯＮＥＴ数据采用ＳＧ滤波方法得到的扰动与震中之间距离随时间变逡逑化的关系，容易区分出图中速度不同的扰动，图中标识出直线的斜率即为对应扰逡逑动的传播速度。随着扰动传播距离增大，会受到各种因素的影响，如地磁作用力、逡逑大气风等，使得实际传播结果较为复杂，因而得到的时间－距离图中可能会出现逡逑扰动量重叠或者扭曲的情况，如图３．３．２右图所示，右图为根据同一天美国ＣＯＲＳ逡逑网实测数据采用同样ＳＧ滤波方法得到的时间－距离图。逡逑１０００￣￣‘——‘即Ｓ邋巧…８邋‘——，＿＿助邋Ｗ＾邋逦ＧＰ邋巧邋ＲＮ１５，逦，逦。＂逡逑

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本文编号：2780406