專利名稱：單站準三維閃電定位裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種閃電定位裝置和方法，更具體地，涉及到單站準三維閃電定位系統和方法，適用于單站閃電探測和預警。
背景技術：
閃電是大氣中瞬時的強放電過程。根據閃電通道是否接地，可以將閃電分為地閃和云閃。地閃的回擊、云閃的K過程等所形成的高功率電磁環境對電氣、電子設備和系統的安全運行造成重大威脅。為了研究閃電的毀傷機理、分析閃電的物理過程、有效的對閃電預測預警，不僅需要確定地閃的雷擊點(即回擊通道與地面的“接觸點”)，還需要獲取閃電的電通道的三維結構、時空發展過程。美國發明專利No. 4198599和No. 4543580分別利用方向交匯(DF)和到達時間差 (TOA)原理發明了地閃回擊的雷擊點定位系統，所用的系統均需要多個觀測站，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，而不能對閃電的三維空間結構成像。閃電的擊穿過程會產生大量的甚高頻(VHF)輻射，通過對VHF頻段內的閃電輻射定位，可以得到閃電放電通道的空間結構特征。1999年Rison，W在《地球物理研究雜志》 中報道了利用六個或以上工作在VHF頻段的天線，通過到達時間差(TOA)定位原理的三維閃電定位系統；2009年中國發明專利200910090115. 3提出了利用兩個或以上VHF閃電寬帶干涉儀組網實現的三維閃電定位系統。這些系統通過多個觀測站組網探測，均可以實現閃電的三維放電通道的定位。然而，不管哪種方法，僅僅通過單個觀測站的觀測并不能獲取閃電的三維通道發展過程。相對單站觀測，組網觀測對試驗成本、場地要求、系統的同步和復雜性以及維護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-電波的到達時間差可以得到雷擊點的距離。美國發明專利No. 6552521B1正是利用這一原理，并配合單站的多個麥克風陣列來實現單站雷擊點定位的，其實Few早在1970年便報道了利用雷聲傳感器陣列進行閃電通道重建的結果。雖然通過雷聲傳感器克服了多站組網的不便，可以用來單站雷擊點定位，卻存在以下幾個問題一是一次閃電的持續時間一般在Is左右，這意味著首次聞雷和對應的雷電電磁脈沖的時間間隔將會有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所述系統僅能對雷擊點定位，并不能刻畫閃電通道的三維結構；三是 Few所述雷聲定位系統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展的演變過程，即并不能了解在某一時刻對應的哪些閃電通道區域在活躍，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；四是雷聲定位結果一般得到的定位點較少，空間分辨率不足，不容易辨別通道分支等狀況
發明內容
本發明的目的是為了提供一種單站準三維閃電定位裝置和方法，該系統將閃電產生的聲信號和電信號結合，通過設計合理的天線、傳感器陣列的配置方式，分析處理方法， 能夠僅僅通過單個觀測站測量獲取閃電放電通道準三維定位結果和時空演變過程，具有包含地閃和云閃的全閃電探測功能，同時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復雜而單站不能三維定位的缺點。本發明的目的可通過如下措施來實現 一種單站準三維閃電定位系統和方法，包括
由三個或以上閃電聲-電傳感器單元安照一定方式布設，構成傳感器陣列，用于獲取閃電的聲、電磁脈沖信號；
一套數據采集設備，用于完成將上述傳感器的模擬量轉換為數字量； 一種聲、電結合的準三維閃電定位方法，用于將上述數字信號按照指定步驟得到最終閃電放電過程的準三維定位結果。上述的閃電聲-電傳感器單元構成如

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方式如圖2，陣列包含4個上述的閃電聲-電傳感器單元4-7，放置在同一平面內，4個單元間兩兩各構成一條基線，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中代表閃電某時刻位置的點為義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、電結合的準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果的時間序列索引。
權利要求
1.一種單站準三維閃電定位裝置和方法，包括由三個或以上閃電聲-電傳感器單元安照一定方式布設，構成傳感器陣列，用于獲取閃電的聲、電磁脈沖信號；一套數據采集設備，用于完成將上述傳感器的模擬量轉換為數字量；一種聲、電結合的準三維閃電定位方法，用于將上述數字信號按照指定步驟得到最終閃電放電過程的準三維定位結果。
2.如權利要求1所述的一種單站準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.如權利要求1所述的一種單站準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，可以根據具體的觀測環境設置。
4.如權利要求1所述的一種單站準三維閃電定位裝置和方法，其特征在于，所述的聲、 電結合的準三維閃電定位方法，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刻閃電通道的三維定位結果。
5.如權利要求1所述的一種單站準三維閃電定位裝置和方法，其特征在于，所述的聲、 電結合的準三維閃電定位方法，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:閃電通道三維坐標求取；S05:剩余點的空間坐標插值估計。
6.如權利要求5所述的聲、電結合的準三維閃電定位方法，其特征在于，所述的步驟 SOl中，聲、電各自信號間的時間差，可由時域相關、頻域相位譜等各種時延估計方法獲得。
7.如權利要求5所述的聲、電結合的準三維閃電定位方法，其特征在于，所述的步驟 S03中，聲電方位角仰角匹配的一個實施方法，可以按照時間先后順序，尋找滿足聲、電的方位角、仰角相等的序列。
8.如權利要求5所述的聲、電結合的準三維閃電定位方法，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
本發明涉及一種單站準三維閃電定位裝置和方法，通過將閃電產生的聲信號和電信號結合，設計合理的天線和傳感器陣列的配置方式，并利用一套聲、電結合的準三維閃電定位方法，能夠僅僅通過單個觀測站測量獲取閃電放電通道準三維定位結果和時空演變過程，具有地閃和云閃的全閃電探測功能，同時提供同步的閃電的聲、電綜合探測資料。本發明適用于對閃電探測精度和定位結果要求較高的氣象、航空航天及軍事部門的閃電探測和預警，也可作為閃電物理和防護研究的觀測手段。
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 優先權日2012年1月12日
發明者周璧華, 邱實 申請人:中國人民解放軍理工大學