專利名稱：單站準(zhǔn)三維閃電定位裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種閃電定位裝置和方法，更具體地，涉及到單站準(zhǔn)三維閃電定位系統(tǒng)和方法，適用于單站閃電探測和預(yù)警。
背景技術(shù)：
閃電是大氣中瞬時(shí)的強(qiáng)放電過程。根據(jù)閃電通道是否接地，可以將閃電分為地閃和云閃。地閃的回?fù)簟⒃崎W的K過程等所形成的高功率電磁環(huán)境對電氣、電子設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成重大威脅。為了研究閃電的毀傷機(jī)理、分析閃電的物理過程、有效的對閃電預(yù)測預(yù)警，不僅需要確定地閃的雷擊點(diǎn)(即回?fù)敉ǖ琅c地面的“接觸點(diǎn)”)，還需要獲取閃電的電通道的三維結(jié)構(gòu)、時(shí)空發(fā)展過程。美國發(fā)明專利No. 4198599和No. 4543580分別利用方向交匯(DF)和到達(dá)時(shí)間差 (TOA)原理發(fā)明了地閃回?fù)舻睦讚酎c(diǎn)定位系統(tǒng)，所用的系統(tǒng)均需要多個(gè)觀測站，并且定位頻段為低頻(LF)和甚低頻(VLF)，定位的主要過程為地閃的雷擊點(diǎn)，而不能對閃電的三維空間結(jié)構(gòu)成像。閃電的擊穿過程會產(chǎn)生大量的甚高頻(VHF)輻射，通過對VHF頻段內(nèi)的閃電輻射定位，可以得到閃電放電通道的空間結(jié)構(gòu)特征。1999年Rison，W在《地球物理研究雜志》 中報(bào)道了利用六個(gè)或以上工作在VHF頻段的天線，通過到達(dá)時(shí)間差(TOA)定位原理的三維閃電定位系統(tǒng)；2009年中國發(fā)明專利200910090115. 3提出了利用兩個(gè)或以上VHF閃電寬帶干涉儀組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的三維閃電定位系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通過多個(gè)觀測站組網(wǎng)探測，均可以實(shí)現(xiàn)閃電的三維放電通道的定位。然而，不管哪種方法，僅僅通過單個(gè)觀測站的觀測并不能獲取閃電的三維通道發(fā)展過程。相對單站觀測，組網(wǎng)觀測對試驗(yàn)成本、場地要求、系統(tǒng)的同步和復(fù)雜性以及維護(hù)等方面提出了更多要求。電磁波傳播速度為3X 108m/s，而大氣中的聲速在350m/s左右，因而，利用雷聲傳感器配合雷電電磁脈沖場傳感器，通過聲-電波的到達(dá)時(shí)間差可以得到雷擊點(diǎn)的距離。美國發(fā)明專利No. 6552521B1正是利用這一原理，并配合單站的多個(gè)麥克風(fēng)陣列來實(shí)現(xiàn)單站雷擊點(diǎn)定位的，其實(shí)Few早在1970年便報(bào)道了利用雷聲傳感器陣列進(jìn)行閃電通道重建的結(jié)果。雖然通過雷聲傳感器克服了多站組網(wǎng)的不便，可以用來單站雷擊點(diǎn)定位，卻存在以下幾個(gè)問題一是一次閃電的持續(xù)時(shí)間一般在Is左右，這意味著首次聞雷和對應(yīng)的雷電電磁脈沖的時(shí)間間隔將會有Is的不確定度，這一不確定因素將會造成350m左右的定距誤差；二是專利No. 6552521B1所述系統(tǒng)僅能對雷擊點(diǎn)定位，并不能刻畫閃電通道的三維結(jié)構(gòu)；三是 Few所述雷聲定位系統(tǒng)雖然可以重建三維閃電通道，卻不能像VHF定位一樣描繪閃電發(fā)展的演變過程，即并不能了解在某一時(shí)刻對應(yīng)的哪些閃電通道區(qū)域在活躍，相比之下，VHF定位像是一段閃電錄像的回放，而雷聲定位則是其中一幀圖像；四是雷聲定位結(jié)果一般得到的定位點(diǎn)較少，空間分辨率不足，不容易辨別通道分支等狀況
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種單站準(zhǔn)三維閃電定位裝置和方法，該系統(tǒng)將閃電產(chǎn)生的聲信號和電信號結(jié)合，通過設(shè)計(jì)合理的天線、傳感器陣列的配置方式，分析處理方法， 能夠僅僅通過單個(gè)觀測站測量獲取閃電放電通道準(zhǔn)三維定位結(jié)果和時(shí)空演變過程，具有包含地閃和云閃的全閃電探測功能，同時(shí)提供同步的閃電的聲、電綜合探測資料。從而克服了多站組網(wǎng)復(fù)雜而單站不能三維定位的缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn) 一種單站準(zhǔn)三維閃電定位系統(tǒng)和方法，包括
由三個(gè)或以上閃電聲-電傳感器單元安照一定方式布設(shè)，構(gòu)成傳感器陣列，用于獲取閃電的聲、電磁脈沖信號；
一套數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于完成將上述傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量； 一種聲、電結(jié)合的準(zhǔn)三維閃電定位方法，用于將上述數(shù)字信號按照指定步驟得到最終閃電放電過程的準(zhǔn)三維定位結(jié)果。上述的閃電聲-電傳感器單元構(gòu)成如

圖1，包含接收閃電射頻輻射信號的天線1和接收雷聲信號的傳聲器2，以及用于支撐傳聲器2的水平支架3。上述的傳感器陣列的一種基本的布設(shè)方式如圖2，陣列包含4個(gè)上述的閃電聲-電傳感器單元4-7，放置在同一平面內(nèi)，4個(gè)單元間兩兩各構(gòu)成一條基線，形成兩條交叉的水平基線，基線間夾角為々。圖3為其中一條基線的示意圖，基線長度為^ 一般在幾米到幾十米，可根據(jù)場地條件選擇，閃電入射方向與基線夾角為〃。圖2中代表閃電某時(shí)刻位置的點(diǎn)為義S與兩條基線間的夾角分別為a、A，S與傳感器陣列形成的方位角仰角和徑向距離分別為和r。上述的聲、電結(jié)合的準(zhǔn)三維閃電定位方法包含以下步驟
501利用閃電聲、電信號求取相對于基線的入射角對于每一條如圖2和圖3所示的基線，利用不同時(shí)刻t的射頻和音頻信號，通過式(1)獲得閃電射頻和音頻事件相對于基線的夾角的時(shí)間序列[〃⑴，A⑴， ⑴]，[〃(j)，A(j)，i(j)]，i，戶1，2，3…分別代表射頻和音頻信號處理結(jié)果的時(shí)間序列索引。
權(quán)利要求
1.一種單站準(zhǔn)三維閃電定位裝置和方法，包括由三個(gè)或以上閃電聲-電傳感器單元安照一定方式布設(shè)，構(gòu)成傳感器陣列，用于獲取閃電的聲、電磁脈沖信號；一套數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于完成將上述傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；一種聲、電結(jié)合的準(zhǔn)三維閃電定位方法，用于將上述數(shù)字信號按照指定步驟得到最終閃電放電過程的準(zhǔn)三維定位結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的一種單站準(zhǔn)三維閃電定位裝置和方法，其特征在于，所述的閃電聲-電傳感器單元包含接收閃電射頻輻射信號的天線、接收雷聲信號的傳聲器，以及用于支撐傳聲器的水平支架。
3.如權(quán)利要求1所述的一種單站準(zhǔn)三維閃電定位裝置和方法，其特征在于，所述的傳感器陣列構(gòu)成兩條交叉基線，基線的夾角任意，基線的長度從幾米到幾十米范圍，可以根據(jù)具體的觀測環(huán)境設(shè)置。
4.如權(quán)利要求1所述的一種單站準(zhǔn)三維閃電定位裝置和方法，其特征在于，所述的聲、 電結(jié)合的準(zhǔn)三維閃電定位方法，能夠利用所述的閃電的聲、電磁脈沖信號，得到閃電放電過程中不同時(shí)刻閃電通道的三維定位結(jié)果。
5.如權(quán)利要求1所述的一種單站準(zhǔn)三維閃電定位裝置和方法，其特征在于，所述的聲、 電結(jié)合的準(zhǔn)三維閃電定位方法，包含以下步驟S01:利用閃電聲、電信號求取相對于基線的入射角；S02:將入射角轉(zhuǎn)化為方位角和仰角；S03:聲電方位角仰角匹配；S04:閃電通道三維坐標(biāo)求取；S05:剩余點(diǎn)的空間坐標(biāo)插值估計(jì)。
6.如權(quán)利要求5所述的聲、電結(jié)合的準(zhǔn)三維閃電定位方法，其特征在于，所述的步驟 SOl中，聲、電各自信號間的時(shí)間差，可由時(shí)域相關(guān)、頻域相位譜等各種時(shí)延估計(jì)方法獲得。
7.如權(quán)利要求5所述的聲、電結(jié)合的準(zhǔn)三維閃電定位方法，其特征在于，所述的步驟 S03中，聲電方位角仰角匹配的一個(gè)實(shí)施方法，可以按照時(shí)間先后順序，尋找滿足聲、電的方位角、仰角相等的序列。
8.如權(quán)利要求5所述的聲、電結(jié)合的準(zhǔn)三維閃電定位方法，其特征在于，所述的步驟 S04中，閃電通道三維坐標(biāo)求取方法中，采用同一閃電事件的聲信號和電信號求取徑向距離 O
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單站準(zhǔn)三維閃電定位裝置和方法，通過將閃電產(chǎn)生的聲信號和電信號結(jié)合，設(shè)計(jì)合理的天線和傳感器陣列的配置方式，并利用一套聲、電結(jié)合的準(zhǔn)三維閃電定位方法，能夠僅僅通過單個(gè)觀測站測量獲取閃電放電通道準(zhǔn)三維定位結(jié)果和時(shí)空演變過程，具有地閃和云閃的全閃電探測功能，同時(shí)提供同步的閃電的聲、電綜合探測資料。本發(fā)明適用于對閃電探測精度和定位結(jié)果要求較高的氣象、航空航天及軍事部門的閃電探測和預(yù)警，也可作為閃電物理和防護(hù)研究的觀測手段。
文檔編號G01S5/18GK102540145SQ20121000822
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者周璧華, 邱實(shí) 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)