Improving Detection Performance of Ionospheric Disturbances due to Earthquake with a Noise Reduction Method

Abstract

Energy generated from earthquake is transferred to the ionosphere by earth-atmosphere coupling and results in co-seismic ionospheric disturbances (CID). CID can be observed in the ionospheric delay measurement using L1, L2 frequency carrier phase. As the diurnal change of ionospheric delay is generally larger than the disturbance, several methods are used to isolate the disturbance from normal ionospheric trends: band-pass filter, time derivative, etc. When using the derivative method, however, the disturbance signal can be obscured by measurement noise due to its small magnitude. This happens either because the earthquake is too small or the signal is too far from the epicenter. To effectively detect such weak disturbances from the noise, it is essential to increase the signal-to-noise ratio (SNR) of the disturbance. In this paper, a new noise-reducing time derivative is suggested. There are two assumptions. First, we assume that ionospheric delay changes smoothly

the ionospheric change is considered to be linear for the time span used in derivative. Second, ionospheric delay noise is regarded as Gaussian random. The designed sequential measurement combination was applied to 2011 Tohoku earthquake case. Its performance was compared with conventional de-trending methods including band-pass and time derivative. Performance index was chosen as the ratio of the absolute maximum value of disturbances to the standard deviation of normal ionospheric trend, which accounts for SNR. Epicenter estimation was performed based on CID information. CID detection time was extracted using the proposed time derivative algorithm. A simple 2D wave propagation model was adopted for CID model. Epicenter estimation error was compared to that of previous study.

지진으로 인한 에너지는 지표와 대기의 에너지 상호작용으로 인해 전리층으로 전달되어 Co-seismic Ionospheric Disturbance (CID)를 발생시킨다. CID는 L1, L2 반송파를 이용하여 추정한 전리층 지연을 통해 관측할 수 있다. 지진이 없는 정상상황에서 전리층 지연의 경향성은 일반적으로 교란보다 크므로, 전리층 지연에서 교란 신호를 분리하기 위해 band-pass, 미분법 등의 방법이 사용된다. 지진의 규모가 작거나 신호가 진원지에서 멀리 떨어진 경우 교란이 잡음에 묻혀 검출이 어려운 단점이 있다. 따라서 작은 교란을 효과적으로 검출하기 위해서는 교란의 신호 대 잡음비(SNR)를 높이는 것이 필수적이라 할 수 있다. 본 논문에서는 전리층 조합의 선형조합을 통해 잡음을 감소시키는 새로운 미분법을 제안하고, band-pass 및 기존의 미분법에 대해 잡음 수준, 최대 SNR, 초기경보 환경에서의 SNR을 비교하였다. 이때 실측데이터로는 2011년 도호쿠 지진 데이터를 활용하였다. 또한, CID 정보를 기반으로 진앙 위치 추정을 수행하였다. 이때 CID 검출 시간은 제안된 알고리즘을 사용하여 추출하였으며, 간단한 2D CID 전파 모델이 사용되었다. 이를 통해 도출한 진앙 위치 추정 성능을 선행연구와 비교하였다.