Radyo örtülme verisinin bilgisayarlı iyonküre tomografisi ile bütünleştirmesi
Fusion of radio occultation into computerized ionospheric tomography
Yazar: SİNEM DENİZ YENEN
Danışman: PROF. DR. FEZA ARIKAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Sinyaller iyonküreden geçerken sönümlenme, dağıtma, kutuplanma kaybı, zaman gecikmesi, Faraday dönmesi ve faz kayması gibi etkilere maruz kalmaktadır. İyonkürenin sinyaller üzerindeki etkisinin nedeni frekansa bağlı kırılma indisidir ve kırılma indisinin en önemli değişkeni elektron yoğunluğudur. Bu nedenle iyonküre elektron yoğunluğunun yeniden yapılandırılması, iyonkürenin yapısının ve iyonküreden geçen sinyaller üzerindeki etkisinin incelenmesi için önemlidir. Bu çalışmada, iyonkürenin sakin ve bozulmalı günleri için hem gerçek hem de sanal dikey ve yatay yollar kullanılarak elektron yoğunluğunu yeniden yapılandırmak amacıyla 4-B Bilgisayarlı İyonküre Tomografi (BİT) algoritması, IONOLAB-Fusion, geliştirilmiştir. Kullanıcı dostu algoritmaya, yalnızca ilgilenilen bölgenin koordinatlarının ve istenilen uzay-zamansal çözünürlüğe sahip aralığın girilmesi gerekmektedir. Model iyonküre, 4-B iyonkürenin 1-B bir vektöre indirgenebilmesi için leksikografiksel bir sırayla küresel hücreler kullanılarak oluşturulmaktadır. Model matrisi, geriye dönük veya gerçek zamana yakın bir şekilde eniyilenmiş bir arka plan iyonküre modeli kullanılarak otomatik olarak oluşturulmaktadır. Tekil Değer Ayrışımı (TDA), önemli tekil değerlerin bir alt kümesini ve bu tekil değerlere karşılık gelen sinyal alt uzay taban vektörlerini kestirmek için uygulanmaktadır. Ölçüm vektörü ve örnekleme matrisi, eniyilenmiş yer tabanlı ve uydu tabanlı yollar ile otomatik olarak oluşturulmaktadır. Yeniden yapılandırma, Enaz Kareler Kestirimi ile kapalı formda elde edilmektedir. IONOLAB-Fusion'ın Avrupa üzerindeki başarımı iyonosonda dikey elektron yoğunluğu profilleri ile karşılaştırıldığında, arka plan iyonküre modeline göre sakin ve bozulmalı günler için sırasıyla 26,51% ve 32,33%'lük bir iyileşme gözlemlenmiştir. IONOLAB-Fusion ile hesaplanan TEİ haritaları, GIM-TEİ haritaları ile karşılaştırıldığında, IONOLAB-Fusion'ın uyumu, arka plan iyonküre modeline göre sakin ve bozulmalı günler için sırasıyla 37,89% ve 31,58% daha iyidir. IONOLAB-Fusion sonuçları literatürde yer alan fonksiyon tabanlı dört ayrı yöntem ile karşılaştırmış ve bu yöntemlere göre hmF2 yüksekliğine kadar 28.24%, Chapman yüksekliğine kadar 33.59% daha iyi başarım sergilediği belirlenmiştir.

Abstract:
Signals passing through the ionosphere are subjected to effects such as attenuation, scattering, polarization loss, time delay, Faraday rotation, and phase shift. The cause of the ionosphere's effect on signals is the frequency-dependent refractive index, with electron density being the most significant variable influencing the refractive index. Therefore, reconstructing the electron density of the ionosphere is crucial for examining the ionosphere's structure and its impact on signals passing through it. In this study, a 4-D Computerized Ionospheric Tomography (CIT) algorithm, IONOLAB-Fusion, is developed to reconstruct electron density using both real and virtual vertical and horizontal paths for both quiet and disturbed days of the ionosphere. The user-friendly algorithm only requires input of the coordinates of the region of interest and the desired spatio-temporal resolution interval. The model ionosphere is constructed using spherical voxels arranged in a lexicographical order to map the 4-D ionosphere into a 1-D vector. The model matrix is automatically generated using an optimized background ionosphere model either retrospectively or in near real-time. Singular Value Decomposition (SVD) is applied to estimate a subset of significant singular values and the corresponding signal subspace basis vectors. The measurement vector and sampling matrix is automatically created using optimized ground-based and satellite-based paths. Reconstruction is achieved in closed form using Least Squares estimation. When comparing IONOLAB-Fusion's performance over Europe to vertical electron density profiles obtained from ionosonde measurements, improvements of 26.51% and 32.33% are observed for quiet and disturbed days, respectively, relative to the background ionosphere model. When comparing Total Electron Content (TEC) maps calculated by IONOLAB-Fusion with GIM-TEC maps, IONOLAB-Fusion showed 37.89% and 31.58% better agreement for quiet and disturbed days, respectively, compared to the background ionosphere model. Additionally, IONOLAB-Fusion's results are compared with four other function-based methods in the literature, demonstrating performance improvements of 28.24% up to the height of hmF2 and 33.59% up to the Chapman height.