CN102540145B - 单站准三维闪电定位装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单站准三维闪电定位装置和方法，通过将闪电产生的声信号和电信号结合，设计合理的天线和传感器阵列的配置方式，并利用一套声、电结合的准三维闪电定位方法，能够仅仅通过单个观测站测量获取闪电放电通道准三维定位结果和时空演变过程，具有地闪和云闪的全闪电探测功能，同时提供同步的闪电的声、电综合探测资料。本发明适用于对闪电探测精度和定位结果要求较高的气象、航空航天及军事部门的闪电探测和预警，也可作为闪电物理和防护研究的观测手段。

Description

单站准三维闪电定位装置和方法

技术领域

本发明涉及一种闪电定位装置和方法，更具体地，涉及到单站准三维闪电定位系统和方法，适用于单站闪电探测和预警。

背景技术

闪电是大气中瞬时的强放电过程。根据闪电通道是否接地，可以将闪电分为地闪和云闪。地闪的回击、云闪的K过程等所形成的高功率电磁环境对电气、电子设备和系统的安全运行造成重大威胁。为了研究闪电的毁伤机理、分析闪电的物理过程、有效的对闪电预测预警，不仅需要确定地闪的雷击点(即回击通道与地面的“接触点”)，还需要获取闪电的电通道的三维结构、时空发展过程。

美国发明专利No.4198599和No.4543580分别利用方向交汇(DF)和到达时间差(TOA)原理发明了地闪回击的雷击点定位系统，所用的系统均需要多个观测站，并且定位频段为低频(LF)和甚低频(VLF)，定位的主要过程为地闪的雷击点，而不能对闪电的三维空间结构成像。

闪电的击穿过程会产生大量的甚高频(VHF)辐射，通过对VHF频段内的闪电辐射定位，可以获得闪电的动态时空演变信息，即：不仅可以得到闪电放电通道的空间结构特征，而且能够反演闪电的三维空间结构随时间的变化。1999年Rison，W在美国《地球物理研究杂志》中报道了利用六个或以上工作在VHF频段的天线，通过到达时间差(TOA)定位原理的三维闪电定位系统；2009年中国发明专利200910090115.3提出了利用两个或以上VHF闪电宽带干涉仪组网实现的三维闪电定位系统。这些系统通过多个观测站组网探测，均可以获得闪电的准三维通道随时间的动态演变。然而，不管哪种方法，仅仅通过单个观测站的观测并不能获取闪电的三维通道发展过程。相对单站观测，组网观测对试验成本、场地要求、系统的同步和复杂性以及维护等方面提出了更多要求。

电磁波传播速度为3×10⁸m/s，而大气中的声速在350m/s左右，因而，利用雷声传感器配合雷电电磁脉冲场传感器，通过声-电波的到达时间差可以得到雷击点的距离。利用这一原理，并配合单站的多个麦克风阵列还可以对一次闪电的雷声三维成像。Few最早报道了利用这一原理的雷声定位结果，发表在1970年的美国《地球物理研究杂志》上。基于这一原理的雷声定位系统和方法还被文章“基于DSP的雷电定位系统设计”(闫飞等，2010)等公开。虽然利用雷声传感器克服了VHF多站组网的不便，可以用来单站闪电通道的三维定位，却存在以下几个问题：一是一次闪电的持续时间一般在1s左右，这意味着首次闻雷和对应的雷电电磁脉冲的时间间隔将会有1s的不确定度，这一不确定因素将会造成350m左右的定距误差；二是Few所述雷声定位系统虽然可以重建三维闪电通道，却不能像VHF定位系统一样描绘闪电放电通道的动态演变过程，即并不能了解在某一时刻对应的哪些闪电通道区域在活跃，相比之下，VHF定位像是一段闪电录像的回放，而雷声定位则仅能给出一帧三维定位图像；三是雷声定位结果一般得到的定位点较少，空间分辨率不足，不容易辨别通道分支等状况。

发明内容

|本发明的目的是为了提供一种单站准三维闪电定位装置和方法，该系统将闪电产生的声信号和电信号结合，通过设计合理的天线、传感器阵列的配置方式，分析处理方法，能够仅仅通过单个观测站测量获取闪电放电通道的准三维定位结果和时空演变过程，具有包含地闪和云闪的全闪电探测功能，同时提供同步的闪电的声、电综合探测资料。从而克服了多站组网复杂而单站不能三维定位的缺点。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种单站准三维闪电定位装置，包括传感器阵列，还包括：

传感器阵列由三个或以上闪电声-电传感器单元按照一定方式布设构成，其用于获取闪电的声、电磁脉冲信号；

一套数据采集设备，与上述传感器阵列相连，用于完成将上述传感器的模拟量转换为数字量；所述的声、电结合的准三维闪电定位方法，能够利用所述的闪电的声、电磁脉冲信号，得到闪电放电过程中不同时刻闪电通道的三维定位结果。

所述的闪电声-电传感器单元包含接收闪电射频辐射信号的天线、接收雷声信号的传声器，以及用于支撑传声器的水平支架。

所述的传感器阵列构成两条交叉基线，基线的夹角任意，基线的长度从几米到几十米范围，可以根据具体的观测环境设置。

本发明还公开了一种利用上述单站准三维闪电定位装置进行声、电结合的准三维闪电定位方法，其包含以下步骤：

S01：利用闪电声、电信号求取相对于基线的入射角；

S02：将入射角转化为方位角和仰角；

S03：声电方位角仰角匹配；

S04：闪电通道三维坐标求取；

S05：剩余点的空间坐标插值估计。

另外，该方法在步骤S01中，声、电各自信号间的时间差，可由时域相关、频域相位谱等各种时延估计方法获得。

进一步地，所述的步骤S03中，声电方位角仰角匹配的一个实施方法，可以按照时间先后顺序，寻找满足声、电的方位角、仰角相等的序列。

再进一步地，所述的步骤S04中，闪电通道三维坐标求取方法中，采用同一闪电事件的声信号和电信号求取径向距离。

上述的闪电声-电传感器单元构成如图1，包含接收闪电射频辐射信号的天线1和接收雷声信号的传声器2，以及用于支撑传声器2的水平支架3。

上述的传感器阵列的一种基本的布设方式如图2，阵列包含4个上述的闪电声-电传感器单元4-7，放置在同一平面内，4个单元间两两各构成一条基线，形成两条交叉的水平基线，基线间夹角为δ。图3为其中一条基线的示意图，基线长度为d，一般在几米到几十米，可根据场地条件选择，闪电入射方向与基线夹角为θ。图2中代表闪电某时刻位置的点为S，S与两条基线间的夹角分别为α、β，S与传感器阵列形成的方位角仰角和径向距离分别为Az、El和r。

上述的声、电结合的准三维闪电定位方法包含以下步骤：

S01：利用闪电声、电信号求取相对于基线的入射角：对于每一条如图2和图3所示的基线，利用不同时刻t的射频和音频信号，通过式(1)获得闪电射频和音频事件相对于基线的夹角的时间序列[α(i)，β(i)，t(i)]，[α(j)，β(j)，t(j)]，式(1)中，θ可代表α(i)，β(i)，α(j)，β(j)，i，j＝1，2，3...分别代表射频和音频信号处理结果的时间序列索引。

|θ＝cos^-1(Δt·c/d)    (1)

其中Δt表示信号间的时间差，可由时域相关、频域相位谱等各种当前较为成熟的时延估计方法获得，c代表当前大气中的光速或声速，d为基线长度；α(i)，β(i)表示t(i)时刻射频入射信号相对于两条基线的夹角；α(j)，β(j)表示t(j)时刻的音频入射信号相对于两条基线的夹角；

S02：将入射角转化为方位角和仰角：对于上述的[α(i)，β(i)，t(i)]，[α(j)，β(j)，t(j)]，分别通过式(2)求解方位角、仰角的时间序列[Az(i)，El(i)，t(i)]，[Az(j)，El(j)，t(j)]，i，j＝1，2，3...。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Az}\left(k\right)={\tan }^{-1}(\frac{\cos \mathrm{\α}\left(k\right)}{\cos \mathrm{\β}\left(k\right)\sin \mathrm{\δ}}-\frac{\cos \mathrm{\δ}}{\sin \mathrm{\δ}})\\ \mathrm{El}\left(k\right)={\cos }^{-1}\left(\frac{\cos \mathrm{\β}\left(k\right)}{\cos \mathrm{Az}\left(k\right)}\right)\\ k=i,j\\ \end{array}\right.---\left(2\right)$

S03：声电方位角仰角匹配：通过声、电各自得到的方位角、仰角所描述的通道的相似性，寻找两者重合的方位角、仰角序列。作为一个实施方法，可以按照射频入射角定位结果的发生时间t(i)的先后顺序，寻找满足式(3)的i′，j′的对应组合。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Az}\left(i^{\′}\right)=\mathrm{Az}\left(j^{\′}\right)+\mathrm{\ξ}\\ \mathrm{El}\left(i^{\′}\right)=\mathrm{El}\left(j^{\′}\right)+\mathrm{\ξ}\\ i^{\′}\∈\left\{i\right\};j^{\′}\∈\left\{j\right\}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中ξ为允许的误差角度。若对于射频或音频各自的入射角定位结果中，出现前后不同时刻的入射方向[Az，El]相同，选择最早发生时刻的i′，j′的值代入式(3)。

S04：闪电通道三维坐标求取：为了去除闪电定距时的1s的模糊时间，采用同一闪电事件的声信号和电信号求取径向距离，将满足上述步骤S03条件的[Az(i′)，El(i′)，t(i′)]，i′＝1，2，3...序列，利用式(4)得到时刻t(i′)的闪电通道的三维坐标：

$\left\{\begin{array}{c}r\left(i^{\′}\right)=c\·[t\left(j^{\′}\right)-t\left(i^{\′}\right)]\\ x\left(i^{\′}\right)=r\·\cos \left[\mathrm{El}\left(i^{\′}\right)\right]\·\cos \left[\mathrm{Az}\left(i^{\′}\right)\right]\\ y\left(i^{\′}\right)=r\·\cos \left[\mathrm{El}\left(i^{\′}\right)\right]\·\sin \left[\mathrm{Az}\left(i^{\′}\right)\right]\\ z\left(i^{\′}\right)=r\·\sin \left[\mathrm{El}\left(i^{\′}\right)\right]\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中c表示当前大气中的声速。

S05：剩余点的空间坐标插值估计：对于不满足上述步骤S03条件的[Az(i)，El(i)，t(i)]，i＝1，2，3…序列，根据步骤S04得到的各点的三维坐标和[Az(i)，El(i)，t(i)]值作线性或其他合理的插值得到准三维坐标估计值。

为准确得到上述步骤S01所谓的“大气中的声速”，优选的，可以配合温度、湿度和风速测量，对雷声声速修正，声速修正可以参考经典的大气声学原理。

上述步骤S05所谓的“准三维”是由于该定位点并非由直接观测记录得到的三维坐标，而是根据闪电通道的连续性原理，通过前后时刻的三维坐标和该时间段内的方位角、仰角变化获得的估计值。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、通过单站闪电声电信号的短基线测量即可获得准三维闪电放电通道和时空演变过程，结构简单，架设方便，大幅度缩减了试验成本和复杂度，特别适用于场地局限性较强的区域；

2、与现有VHF单站定位系统相比，最大优势在于仅仅利用单站即可以实现闪电放电过程准三维的定位；

3、与现有雷声闪电通道重建系统相比，一个明显的优势在于能够给出一次闪电不同时刻的闪电三维结构的空间演变过程，并且能够描述闪电的通道分支状况；另一个明显优势在于，通过步骤S03方位角仰角匹配，能够精确给出某一时刻的声信号对应的电信号的发生时刻，避免声电差原理定距时，闪电电信号1s时间不确定因素造成的大约350m的定距误差，这在近距离地闪定位中可以显著地提高雷击点定位精度；

4、可以同时获得闪电的声、电特征，便于综合多角度的理解闪电的放电机制；

5、通过利用两种闪电特征量同步定位，可以相互印证，减少了传统仅仅利用一种特征量单站定位的误定位概率；

6、可以通过该系统的定位结果评估现有闪电探测系统的有效性；

7、由于闪电射频信号可用于云内早期放电活动探测，而雷声又可以对距离定位，因而该系统可用于闪电的预警。

附图说明

图1是本发明的闪电声-电传感器单元构成

图2是本发明的天线阵列布置示意图

图3是本发明的一条阵列基线布置示意图

图4是本发明的一种实施方式的天线阵列布置示意图

图5是本发明的一种实施方式的系统结构组成框图

图6是本发明的一种实施方式的系统工作流程图

具体的实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式进一步阐述：

传感器阵列布置如图4，系统构成框图参照图5。图4显示的是一种满足要求的最小配置，两套系统各需要3个闪电声-电传感器单元10-12，每个闪电声-电传感器单元包含一个VHF宽带全向天线(14-16)和雷声传声器(18-19)，3个闪电声-电传感器单元分别放置在位于同一水平面的基线长12.5m的正方形的三个顶点上。雷电电场变化测量仪13作为触发信号和确认不同闪电放电过程的参考信号同样放在上述的水平面上的阵列的中心位置。

如图5所示采用高速数字采集设备21采集来自VHF宽带全向天线(14-16)的闪电电信号，采用安装在PC上的数据采集卡22采集来自雷声传声器(18-19)的雷声信号和雷电电场变化测量仪13的电信号。上述的天线和传感器均通过同轴电缆与采集设备相连。高速数字采集设备21和数据采集卡22之间通过触发线23协调触发，数据线24完成PC对高速数字采集设备21的采集控制传输和高速数字采集设备21向PC的数据传输。

系统的工作流程如图6。做为优选地，上述的图6的中触发条件设置中，考虑射频天线14-16和电场变化天线13在规定时间间隔内同时出现大于阈值的上升或下降沿，将产生触发信号。上述的图6的声、电结合的准三维闪电定位方法由PC上的程序按照上述的步骤S01-S05完成实现。

由于本实施例采用三套闪电声-电传感器单元构成正交基线阵列，基线间夹角δ为90°。其中一套闪电声-电传感器单元11与另外两个闪电声-电传感器单元10、12分别构成两条正交基线，因而可以在图2的阵列基线布置基础上节省一个闪电声-电传感器单元。

以上所述仅是本发明的‘最小配置’实施方式，即能够实施的最简单情况。对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形(如改变基线的几何配置，增加若干垂直基线)，这些改进和变形也应视为本发明的保护内容。

Claims (3)

1.一种单站准三维闪电定位方法，是由包含传感器阵列、数据采集设备的闪电定位装置实现的，其特征在于：传感器阵列由三个以上闪电声-电传感器单元按照一定方式布设构成，用于获取闪电的声、电磁脉冲信号；一套数据采集设备，与上述传感器阵列相连，用于完成将上述传感器的模拟量转换为数字量，该方法能够利用所述的闪电的声、电磁脉冲信号，得到闪电放电过程中不同时刻闪电通道的准三维定位结果，具体步骤如下：

S01：利用闪电声、电信号求取相对于基线的入射角：对于每一条基线，利用不同时刻t的射频和音频信号，通过式（1）获得闪电射频和音频信号相对于基线的夹角的时间序列[α ₁(i) ,β ₁(i), t ₁(i)], [α ₂(j) ,β ₂(j), t ₂(j)], 式（1）中，θ可代表α _m (i)、α _m (j)或β _m (i)、β _m (j), i, j=1,2,3…, 此处m取1或2分别用于代表射频和音频信号处理结果的时间序列索引：

                                                                                                                                   （1） 

其中Δt表示信号间的时间差，可由当前较为成熟的时域相关或频域相位谱时延估计方法获得，c代表当前大气中的光速或声速，d为基线长度；α ₁(i) ,β ₁(i)表示t ₁(i)时刻射频入射信号相对于两条基线的夹角；α ₂(j) ,β ₂(j)表示t ₂(j)时刻的音频入射信号相对于两条基线的夹角；

S02：将入射角转化为方位角和仰角：假设步骤S01中所述的两条基线间的夹角为δ，对于上述的[α ₁(i) ,β ₁(i), t ₁(i)], [α ₂(j) ,β ₂(j), t ₂(j)]分别通过式（2）求解射频和音频信号的方位角、仰角的时间序列[Az ₁(i),El ₁(i),t ₁(i)], [Az ₂(j),El ₂(j), t ₂(j)], i,j=1,2,3…：

                        

                            （2）  

S03：声电方位角仰角匹配：通过声、电各自得到的方位角、仰角所描述的通道的相似性，寻找两者重合的方位角、仰角序列，按照射频入射角定位结果的发生时间t ₁(i)的先后顺序，寻找满足式（3）的i', j'的对应组合：

                                             

                                           （3） 

其中ξ为允许的误差角度；

S04：闪电通道三维坐标求取：为了去除闪电定距时的1s的模糊时间，采用同一闪电事件的声信号和电信号求取径向距离r，将满足上述步骤S03条件的[Az ₁(i'),El ₁(i'),t ₁(i')]和[Az ₂(j'),El ₂(j'),t ₂(j')]序列，利用式（4）得到时刻t ₁(i')的闪电通道的三维坐标：

                                                     

                    （4）

 其中c表示当前大气中的声速；

S05：剩余点的空间坐标插值估计：对于不满足上述步骤S03条件的[Az ₁(i),El ₁(i),t ₁(i)], i =1,2,3…序列，根据步骤S04得到的各点的三维坐标和[Az ₁(i),El ₁(i),t ₁(i)]的值作线性或其他合理的插值得到准三维坐标估计值。

2.如权利要求1所述的一种单站准三维闪电定位方法，其特征在于，所述的闪电声-电传感器单元包含接收闪电射频辐射信号的天线、接收雷声信号的传声器，以及用于支撑传声器的水平支架。

3.如权利要求1所述的一种单站准三维闪电定位方法，其特征在于，所述的传感器阵列构成两条交叉基线，基线的夹角任意，基线的长度从几米到几十米范围，可以根据具体的观测环境设置。

Images