本發(fā)明屬于短波通信，特別涉及該領(lǐng)域中的一種基于swin-transformer的突然電離層騷擾事件預(yù)報方法。

背景技術(shù)：

1、太陽耀斑爆發(fā)是太陽大氣(主要在色球和日冕)局部區(qū)域突然釋放出巨大能量和物質(zhì)的過程，耀斑爆發(fā)過程中會伴隨有可見光、紫外線、遠(yuǎn)紫外和x射線及γ射線等波段的電磁輻射，還會伴隨有電子、質(zhì)子、離子和中子等物質(zhì)的發(fā)射，是耀斑能量釋放在不同層次的外在表現(xiàn)。太陽耀斑爆發(fā)期間，由于紫外和x射線波段輻射明顯增強，射線深入到電離層的d層，使得d區(qū)的電離密度增大，這種電離密度增大常常是很突然的，且持續(xù)幾分鐘至幾個小時，因此稱這種現(xiàn)象為突然電離層騷擾(sid)。

2、由于d層電子濃度的驟然增加和高度的變化，使得依賴電離層折射的短波相關(guān)裝備系統(tǒng)受到了不同程度的影響。例如隨著d層電子濃度的迅速增加，短波頻段信號吸收顯著增強，致使短波通信質(zhì)量下降，嚴(yán)重時甚至中斷。此外，電離層對高頻無線電波的吸收也是影響天波作用距離的一個重要因素，將直接改變天波雷達(dá)和超視距雷達(dá)的作用范圍，使其目標(biāo)識別能力下降。由此可見，突然電離層騷擾事件的預(yù)測預(yù)報信息可為短波通信系統(tǒng)和天波超視距目標(biāo)探測系統(tǒng)等提供電離層環(huán)境保障信息，以便及時采取應(yīng)對措施以有效規(guī)避或者減緩對裝備的不利影響，提升裝備效能。

3、近年來，隨著機器學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展，越來越多的研究者開始使用機器學(xué)習(xí)的方法預(yù)報太陽耀斑事件，但是針對突然電離層騷擾事件的預(yù)測預(yù)報則尚未見到報道。由于突然電離層騷擾是由太陽耀斑爆發(fā)引起的，而太陽耀斑和太陽活動區(qū)域的磁場累積及變化有關(guān)，因此在預(yù)報模型中需要考慮太陽活動磁場變化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種基于swin-transformer的突然電離層騷擾事件預(yù)報方法，可給出未來24小時的突然電離層騷擾事件“有”、“無”信息，為短波通信系統(tǒng)選頻和天波超視距目標(biāo)探測提供技術(shù)支撐。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于swin-transformer的突然電離層騷擾事件預(yù)報方法，其改進(jìn)之處在于，包括如下步驟：

4、步驟1，匯集太陽活動磁圖數(shù)據(jù)和電波觀測站網(wǎng)電離層觀測數(shù)據(jù)；

5、步驟2，根據(jù)電波觀測站網(wǎng)電離層fmin觀測數(shù)據(jù)和突然電離層騷擾事件工程標(biāo)準(zhǔn)，篩選2010—2022突然電離層騷擾事件；

6、步驟3，對過去25小時的太陽磁圖數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和像素壓縮，形成像素為256*256的模型輸入磁圖樣本；

7、步驟4，將發(fā)生突然電離層騷擾事件期間的磁圖樣本做為正樣本，未發(fā)生突然電離層騷擾事件期間的磁圖樣本做為負(fù)樣本；

8、步驟5，對正樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，共計整理正樣本4600組，負(fù)樣本4600組，按照7:1:2的比例劃分訓(xùn)練集、驗證集以及測試集；

9、步驟6，將正樣本和負(fù)樣本數(shù)據(jù)輸入到swin-transformer模型中進(jìn)行訓(xùn)練；

10、步驟7，對模型批處理量、迭代次數(shù)和結(jié)構(gòu)層進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，獲得理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)；

11、步驟8，在測試集上和單獨事件期間進(jìn)行模型精度測試，之后將模型用于突然電離層騷擾事件預(yù)報。

12、進(jìn)一步的，所述步驟2具體為：

13、(1)區(qū)域劃分：我國北緯36°以北區(qū)域為北部區(qū)域、北緯26—35°區(qū)域為中部區(qū)域、北緯25°以南區(qū)域為南部區(qū)域；

14、(2)電離層吸收程度劃分：fmin無數(shù)值為全吸收；北部區(qū)域fmin≥8mhz，中部區(qū)域fmin≥9mhz，南部區(qū)域fmin≥10mhz為強吸收；北部區(qū)域6mhz≤fmin＜8mhz，中部區(qū)域7mhz≤fmin＜9mhz，南部區(qū)域8mhz≤fmin＜10mhz為中等吸收；北部區(qū)域4mhz≤fmin＜6mhz，中部區(qū)域5mhz≤fmin＜7mhz，南部區(qū)域6mhz≤fmin＜8mhz為弱吸收；

15、(3)突然電離層騷擾事件級別劃分：三分之二以上觀測站達(dá)到全吸收為一級；兩個以上觀測站達(dá)到強吸收為二級；兩個以上觀測站達(dá)到中等吸收為三級。

16、進(jìn)一步的，所述步驟6具體為：

17、在swin-transformer結(jié)構(gòu)中，輸入圖像首先經(jīng)過patch?partition映射，將圖像分割為4×4的小塊，將每個小塊通過映射為一個像素點，再通過linear?embedding調(diào)整特征圖的通道數(shù)；swin-transformer分為4個stage，stage由成對的swin-transformer?block組成，每個swin-transforer?block模塊都由一個多層感知機模塊mlp的非重疊局部窗口多頭自注意力模塊w-msa和移位窗口多頭自注意力模塊sw-msa組成，在w-msa、sw-msa模塊和每個mlp模塊之前使用層歸一化ln對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使用殘差塊將w-msa、sw-msa和mlp連接起來，在模型最后會接上layer?norm層、全局池化層及全連接層，從而得到最后的輸出。

18、進(jìn)一步的，所述步驟8具體為：模型設(shè)置訓(xùn)練輪數(shù)為200輪，設(shè)置batchsize為16，學(xué)習(xí)率初始為0.1，之后隨訓(xùn)練輪次自動調(diào)整，直至達(dá)到滿足精度的結(jié)果為止。

19、本發(fā)明的有益效果是：

20、本發(fā)明所公開的方法，利用電波觀測站網(wǎng)實測數(shù)據(jù)和太陽磁圖數(shù)據(jù)，按照突然電離層騷擾警報工程標(biāo)準(zhǔn)，提取突然電離層騷擾事件，并以此為正樣本，其他為負(fù)樣本。對太陽磁圖數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、旋轉(zhuǎn)等預(yù)處理，作為模型輸入，最終研制出了一種基于swin-transformer的突然電離層騷擾事件預(yù)報模型，該模型可給出未來24小時突然電離層騷擾事件的“有”和“無”信息，為短波通信系統(tǒng)選頻和天波超視距目標(biāo)探測提供技術(shù)支撐，具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事意義。

技術(shù)特征：

1.一種基于swin-transformer的突然電離層騷擾事件預(yù)報方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于swin-transformer的突然電離層騷擾事件預(yù)報方法，其特征在于，所述步驟2具體為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于swin-transformer的突然電離層騷擾事件預(yù)報方法，其特征在于，所述步驟6具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于swin-transformer的突然電離層騷擾事件預(yù)報方法，其特征在于，所述步驟8具體為：模型設(shè)置訓(xùn)練輪數(shù)為200輪，設(shè)置batchsize為16，學(xué)習(xí)率初始為0.1，之后隨訓(xùn)練輪次自動調(diào)整，直至達(dá)到滿足精度的結(jié)果為止。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于Swin?Transformer的突然電離層騷擾事件預(yù)報方法，包括如下步驟：步驟1，匯集太陽活動磁圖數(shù)據(jù)和電波觀測站網(wǎng)電離層觀測數(shù)據(jù)；步驟2，篩選突然電離層騷擾事件；步驟3，對太陽磁圖數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和像素壓縮；步驟4，將不同磁圖樣本做為正樣本和負(fù)樣本；步驟5，分訓(xùn)練集、驗證集以及測試集；步驟6，輸入模型中進(jìn)行訓(xùn)練；步驟7，獲得理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)；步驟8，在測試集上和單獨事件期間進(jìn)行模型精度測試，之后將模型用于預(yù)報。本發(fā)明所公開的方法，為短波通信系統(tǒng)選頻和天波超視距目標(biāo)探測提供技術(shù)支撐，具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事意義。

技術(shù)研發(fā)人員：王飛飛,張紅波,彭懷云,李海英,靳睿敏,楊會贇,陳龍江,李娜,郝曉靜
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國電波傳播研究所（中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9